Κύρια μνήμη. Μοντέλο λειτουργίας μνήμης. Ένα τυπικό υπολογιστικό σύστημα σήμερα. Οργάνωση Υπολογιστών (ΙI)

Transcript

1 Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (ΙI) (κύρια και ) Μ.Στεφανιδάκης Ένα τυπικό υπολογιστικό σύστημα σήμερα συχνά και το σύστημα γραφικών μέσα στον επεξεργαστή οθόνη σύστημα γραφικών ποντίκι, πληκτρολόγιο, εκτυπωτές, σαρωτές... διασυνδετικός δίαυλος PCIe (x16) έως 8GB/s USB έως 5Gbit/s core (1 ου ου, ου ου επιπέδου) north bridge south bridge έως 500ΜB/s core > 90GB/s (3 ου ου επιπέδου) M-bus (mem bus) 5+ GB/s (multi-channel) SATA 600ΜB/s σκληροί δίσκοι, CD/DVD, δικτυακή σύνδεση οι ρυθμοί μεταφοράς που δίνονται είναι οι θεωρητικά μέγιστοι Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ)... (1 ου ου, ου ου επιπέδου) Μοντέλο λειτουργίας ς Βασικό υποσύστημα του υπολογιστή Αποθήκευση δεδομένων και προγραμμάτων Συλλογή από θέσεις αποθήκευσης Σε κάθε θέση αποθηκεύεται μία ποσότητα των n bits n = εύρος (συχνά: 1 byte) αλλά και 16 ή 3 bits ( ή 4 bytes, λέξη ) Σε κάθε θέση αντιστοιχεί μία μοναδική διεύθυνση (address) μη προσημασμένος δυαδικός αριθμός με m bits επιλέγουμε μεταξύ m διευθύνσεων Χώρος διευθύνσεων ς: 0... m - 1 Συνολική χωρητικότητα ς: m x n bits Διεύθυνση Αναγν./Εγγρ. Δεδομένα Περιεχόμενα 1 3F Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 3 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 4

2 Ανάγνωση από Εγγραφή στη Περιεχόμενα Περιεχόμενα Ακόμα κι όταν το προγραμματιστικό μοντέλο επιτρέπει την ανάγνωση ή εγγραφή μεμονωμένων bytes, η φυσική επικοινωνία με τη γίνεται σε λέξεις (πολλαπλά bytes) Αναγν. 3F 1 3F Εγγρ Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 5 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 6 Μονάδες μέτρησης χωρητικότητας ς Τεχνολογίες μνημών Προσοχή Μόνο η χωρητικότητα της ς μετράται σε δυνάμεις του 1 Byte = 8 bits 1 KiloByte (KB) = 10 Bytes 1.04 Bytes 1 MegaByte (MB) = 10 KB = 0 Bytes Bytes 1 GigaByte (GB) = 10 MB = 0 KB = 30 bytes Bytes Κλπ i κελί (cell): ο χώρος αποθήκευσης ενός bit. : 1 τρανζίστορ/κελί SRAM: 6 τρανζίστορ/κελί τυχαίας προσπέλασης Random Access Memory (RAM) Ανάγνωση-Εγγραφή Στατική (SRAM) και δυναμική Διαφορετική μέθοδος υλοποίησης κελιών (cells) ς SRAM: πολύ γρήγορη μικρότερη ολοκλήρωση (χρήση: ) : αργότερη μεγάλη ολοκλήρωση (χρήση: κύρια ) Απαιτείται περιοδική ανανέωση των δεδομένων κάθε 16 έως 18 ms ( refresh) Και στις δύο χάνονται τα δεδομένα με τη διακοπή της τροφοδοσίας Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 7 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 8

3 σήματα ελέγχου διεύθυνση Τεχνολογίες μνημών Παράδειγμα: οργάνωση ς Μνήμες μόνιμης αποθήκευσης Διατήρηση δεδομένων χωρίς τροφοδοσία μέρος της διεύθυνσης επιλέγει γραμμή του πίνακα κελιών πολλαπλοί πίνακες (banks) κελιών ς Μόνο για ανάγνωση Read Only Memory (ROM) Ακολουθεί το κλασσικό μοντέλο ς Αποθήκευση κώδικα αρχικοποίησης υπολογιστή Αργή ανάγνωση-εγγραφή αλλά μαζική αποθήκευση FLASH Μοιάζει με δίσκο αποθήκευσης κι όχι με το κλασικό μοντέλο ς Ανάγνωση-εγγραφή δεδομένων δεδομένα ανάγνωσης-εγγραφής μέρος της διεύθυνσης επιλέγει στήλες του πίνακα κελιών [Micron] Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 9 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 10 Διασύνδεση επεξεργαστή-ς Επιλέγοντας στόχο: chip select Δίαυλοι: ομάδες αγωγών διασύνδεση για τη μεταφορά πληροφορίας. Ο ρυθμός μεταφοράς στους διαύλους επηρεάζει τη συνολική απόδοση του υπολογιστή ADDR DATA R/W κ.ά. Τσιπ ς Διεύθυνση Προς/από πού γίνεται η προσπέλαση; Δεδομένα Τα δεδομένα ανάγνωσης/εγγραφής Έλεγχος Ανάγνωση ή εγγραφή; - συγχρονισμός μεταφοράς i Chip Select: σήμα επίτρεψης. Επιλέγει έναν από πολλούς στόχους για τη μεταφορά δεδομένων. Στο διπλανό σχήμα, μπορεί να θεωρηθεί ως μέρος της διεύθυνσης CS0 CS1 Τσιπ ς CS Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 11 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 1

4 Η κύρια σήμερα Διασύνδεση επεξεργαστή-ς Υποσύστημα κύριας ς Μεγάλες χωρητικότητες (GBs) Μεγάλο εύρος (bits) διαύλου μεταφοράς Για την ικανοποίηση των αναγκών των 64 και πλέον bits ανά μεταφορά 400 ΜTransfers/sec, 3. GB/s Βελτιστοποιήσεις απόδοσης Για τον ελάχιστο χρόνο προσπέλασης δεδομένων Ελεγκτής κύριας ς Λόγω της πολυπλοκότητας διασύνδεσης Μια δεν συνδέεται απευθείας στη Αλλά: παρεμβολή ελεγκτή ς Το μοντέλο προσπέλασης δεν αλλάζει Ελεγκτής Ελεγκτής κύριας ς Μετατρέπει τις αιτήσεις ανάγνωσης-εγγραφής της στις κατάλληλες εντολές προς τα τσιπ κύριας ς Αναλαμβάνει και την ανανέωση ( refresh) Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 13 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 14 Ιεραρχία ς Προσέγγιση της ιδανικής ς Ο επεξεργαστής βλέπει Με την ταχύτητα του υψηλότερου επιπέδου Και το μέγεθος του χαμηλότερου επιπέδου 0,5-5ns $4.000-$10.000/GB 50-70ns $100-$00/GB ns $0,5-$/GB Κρυφή (SRAM) Μαγνητικοί δίσκοι Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 15 Κρυφή (cache memory) Κύρια Μεταξύ και κύριας ς Περιέχει ένα μέρος μόνο των περιεχομένων της κύριας ς Διαφορετικές θέσεις κύριας ς φορτώνονται στην ίδια θέση της ς (αντικατάσταση) Γρηγορότερη από κύρια Εκμετάλλευση της τοπικότητας των προσπελάσεων Διαχείριση από υλικό διαφανής στο λογισμικό Σήμερα: σε πολλά επίπεδα (L1, L, L3) Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ)

5 Η αρχή της τοπικότητας Μπλοκ (γραμμές) ς ς Χρονική Τοπικότητα Εάν προσπελαστεί μια θέση ς, είναι πολύ πιθανό να προσπελαστεί ξανά στο άμεσο μέλλον Π.χ. για εντολές ενός βρόχου (loop) Χωρική Τοπικότητα Εάν προσπελαστεί μια θέση ς, είναι πολύ πιθανό να προσπελαστούν και οι γειτονικές θέσεις στο άμεσο μέλλον Εντολές προγραμμάτων Δεδομένα σε πίνακες κλπ Κρυφή Οι σύγχρονοι επεξεργαστές διαθέτουν κρυφές μνήμες (L1) με μέγεθος έως 64 bytes Όταν πρέπει να μεταφερθεί μια λέξη, μεταφέρεται όλο το που την περιέχει Πιθανότατα εκτοπίζοντας κάποιο άλλο που βρίσκεται στην ίδια θέση Η θέση του στην υπολογίζεται με διάφορους τρόπους Το σύστημα κύριας ς έχει βελτιστοποιηθεί αρχιτεκτονικά για μεταφορές λέξεις Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 17 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 18 Ανάγνωση μέσω της ς ς Εγγραφή μέσω της ς ς 1. Ανάγνωση από θέση ς Α α. Ναι, υπάρχει στην : επιστροφή περιεχομένου θέσης Α (π.χ. σε 4 κύκλους ρολογιού) 1. Εγγραφή στη θέση ς Α α. Ναι, Α υπάρχει στην (παλιά δεδομένα): Ενημέρωση ς ς με νέα β. Όχι, δεν υπάρχει στην : Ανάγνωση θέσης Α από κύρια 3β. Τα δεδομένα από την κύρια προωθούνται στην και στην (π.χ. σε 100 κύκλους) β. Όχι, Α δεν υπάρχει στην : Ανάγνωση θέσης Α από κύρια (παλιά δεδομένα) 3β. Τα δεδομένα από την κύρια προωθούνται στην όπου εισάγεται η νέα τιμή του Α από Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 19 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Οργάνωση Υπολογιστών (IΙ) 0