Pametov

1
Pametový subsystém

• 640 kB ought to be enough for anybody.
  Bill Gates, 1981

2
Charakteristiky pameti

1. Kapacita
2. Prenosová jednotka
3. Výkonnost

3
1. Kapacita

• objem informace, který je možno v pameti uchovat
• vnitrní pamet obvykle ve slovech nebo bytech
• vnejší pamet v bytech
• slovo (word) prirozená jednotka pameti
• casto jde o pocet bitu zvolených na reprezentaci
  celých císel nebo o délku instrukcí v dané
  architekture
• nejcasteji 8, 16, nebo 32 bitu

4
2. Prenosová jednotka

• pocet datových elementu, prenositelných v 1 kroku
  
• vnitrní pamet v bitech (pocet datových linek
  pamet-procesor)
• vetšinou slovo nebo jeho malý násobek
• vnejší pamet v blocích (velikost bloku závisí na
  typu pameti)
• blok je typicky rádove vetší než slovo

5
3. Výkonnost

• prenosová rychlost (transfer rate)
• rychlost, kterou mohou být data prenášena do/z
  pameti (špicková vs. zarucená, typicky v bitech
  za sekundu)
• vybavovací doba (access time)
• cas, za který je pamet schopna vyrídit požadavek
  na ctení / zápis (od poslání adresy do pameti do
  okamžiku vyskladnení / uložení dat)
• cyklus pameti (cycle time)
• doba mezi dvema bezprostredne za sebou jdoucími
  požadavky (muže být delší než vybavovací doba,
  treba u destruktivního ctení ješte doba na
  refresh)

6
Kritéria delení pametí

1. Umístení v systému
2. Metoda prístupu
3. Technologie (fyzikální princip)
4. Funkce (fyzikální vlastnosti)

7
1. Umístení v systému

• na procesoru
• registry
• nekteré typy cache
• na desce (motherboardu)
• vetšina cache
• vnitrní (hlavní) pamet
• mimo desku
• vnejší (sekundární) pamet

8
2. Metoda prístupu

• sekvencní
• Sequential Access Memory (SAM)
• prímá
• Direct Access Memory (DAM)
• náhodná
• Random Access Memory (RAM)
• asociativní
• Associative Access Memory (AAM)

9
Sequential Access Memory (SAM)

• pametová místa nemusejí mít svou adresu
• prístup je sekvencní (postupný)
• doba prístupu je závislá na vzdálenosti od
  pocátku
• sdílený mechanismus pro ctení a zápis
• typický predstavitel pásková vnejší pamet

10
Direct Access Memory (DAM)

• pametová místa mají jednoznacné adresy
• prístup ke konkrétnímu místu je proveden
  kombinací výberu pametové oblasti a sekvencního
  prístupu v rámci této oblasti
• sdílený mechanismus pro ctení a zápis
• typický predstavitel pevný disk

11
Random Access Memory (RAM)

• všechna pametová místa mají svou adresu
• každé pametové místo má vlastní pevne
  zadrátovaný adresovací mechanismus
• k pametovým místum lze pristupovatv libovolném
  poradí
• doba prístupu nezáleží na predchozí adrese, je
  konstantní
• typický predstavitel hlavní vnitrní pamet

12
Associative Access Memory (AAM)

• stejné charakteristiky jako RAM (každé pametové
  místo má svou adresu a adresovací mechanismus,
  doba prístupu konstantní nezávislá na poradí
  prístupu)
• navíc prístup k datum ne podle adresy, ale podle
  (cásti) obsahu realizovaný paralelním
  prohledáváním
• typický predsatvitel cache

13
3. Technologie pametí

• Pre-elektronické relé, zpoždovací linky,
  ferritová pole (dnes již jen v muzeu)
• Elektronické (polovodicové) RAM, FLASH,
• Magnetické bubny, pásky, disky
• Optické CD, DVD, MD
• (chemické, biologické... )

14
4. Funkce (fyzikální vlastnosti)

• stálé (non-volatile) versus nestálé (volatile)
  pameti
• delení podle toho, zda je pro udržení dat potreba
  pripojení k elektrické energii
• mazatelné versus nemazatelné pameti
• delení podle toho, zda je umožneno jak ctení tak
  zápis nebo jenom ctení
• statické versus dynamické pameti
• delení podle toho, zda je pro udržení dat potreba
  pravidelná obnova

15
Stálé / Nestálé pameti

• stálé (non-volatile) pameti
• pro udržení dat není treba pripojení k elektrické
  energii
• všechny magnetické a optické pameti
• nekteré polovodicové (ROM, PROM, EPROM, EEPROM,
  FLASH)
• nestálé (volatile) pameti
• pri odpojení od elektrické energie jsou data
  ztracena
• vetšina polovodicových (SRAM, DRAM)

16
Mazatelné / nemazatelné pameti

• mazatelná pamet (RWM read-write memory)
• všechny magnetické a nekteré optické pameti
• vetšina polovodicových (nestálých)
• nemazatelná pamet (ROM read only memory)
• je vždy stálá (pochopitelne)
• stálá polovodicová, optická CD ROM
• PROM programmable ROM
• EPROM erasable PROM
• EEPROM electrically EPROM
• FLASH

17
Statické / Dynamické pameti

• vždy je to nestálá polovodicová pamet s RAM
  prístupem
• statická pamet (SRAM)
• pro udržení dat není treba periodicky obnovovat,
  stací udržovat pod napetím
• založeno na logických bránách, nejméne 6
  tranzistoru / bit
• rychlejší než DRAM ? typické použití v cache
• dynamická pamet (DRAM)
• pro udržení obsahu pameti je treba obnovování
• založeno na kondenzátorech (které ale ztrácejí
  náboj)
• jednodušší a menší než SRAM (1 tranz. 1
  kond.) / bit (vyšší hustota a menší cena na bit)
  ? typické použití v hlavní pameti

18
Hierarchie pametí
mikropocítace mikropocítace
registry registry procesor
vyrovnávacípamet vyrovnávacípamet L1,L2 cache
hlavní pamet hlavní pamet RAM
odkládací (sekundární) pamet odkládací (sekundární) pamet pevný disk
archivní pamet archivní pamet CD, DVD
19
Typické parametry v hierarchii
technologie rádová velikost prístupová doba
registry polovodice, na procesoru B 1 ns
cache polovodice na/vne proc. kB 10 ns
hlavní pamet polovodice MB 10-100 ns
sekundární pamet magnetický záznam GB 1-10 ms
archivní pamet optický TB 100 a více ms
20
Logická hradla (brány)

• Booleova algebra (logické a x)
• NOT
• AND
• OR 1
• XOR 1

21
NOR / NAND

• Pomocí hradla NOR (nebo NAND) je možno realizovat
  všechny ostatní logické funkce
• V nekterých technologických postupech je výroba
  NOR / NAND jednoduchá a laciná.
• A nyní krátká odbocka od pametí k aritmetickým
  obvodum

22
Full-adder
x y c-in s c-out
0 0 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 0 0 1
1 1 1 1 1
23
8bitová scítacka
Konec odbocky
24
Klopný obvod S-R (flip-flop) jednoduchá
statická pamet
R S Qn
0 0 Qn-1
0 1 1
1 0 0
1 1 ?
1
0
1-
1
00
1
0
0
Realizace hradly NOR
Realizace hradly NAND
25
Synchronní / asynchronní prístup do pameti

• asynchronní pro dokoncení operace je treba
  casové kvantum (napr. prodleva hradla nebo
  nekolika hradel)
• synchronní operace zcela rízena jednotným
  tikáním hodin

26
Vyrovnávací pameti cache

• obvyklé použití
• procesor-hlavní pamet
• pocítac-pomalá periferie
• lokalita prístupu
• pokud byla data použita, je nadeje, že budou ta
  samá nebo adresove blízká použita znovu
• jsou-li data k dispozici v rychlé vyrovnávací
  pameti, není treba na ne cekat

27
Organizace cache

• každý blok dat je v cache uložen spolu se svou
  adresou (spolecná cást adresy všech bunek v
  bloku), tzv. tagem
• vyhledávání dat v cache
• tagy bloku nejsou v cache nijak usporádány
• paralelne se najde blok v cache který má správný
  tag (pokud tam je), tj. paralelne se porovnávají
  všechny tagy s tagem hledaných dat - asociativní
  prístup do pameti
• z nalezeného bloku se prectou data