Materiały do wykładu

5. Pamięci

Marcin Peczarski

Instytut InformatykiUniwersytet Warszawski

12 kwietnia 2014

Hierachia pamięci .

kod

dane

nośnikiwymienne

zasobysieciowe

pamięćwirtualna

systemplików

pamięć operacyjna

pamięćpodręczna

rej.

pamięci półprzewodnikowe

pamięci dyskowe}

pamięci taśmowe

Pamięci półprzewodnikowe (1) .

⊲ Trwałość przechowywanej informacji

⋄ ulotne

⋄ nieulotne

⊲ Sposób adresowania

⋄ adresowanie poszczególnych bajtów lub słów

⋄ bezadresowe (np. pamięci FIFO)

⋄ adresowanie zawartością, asocjacyjne

⊲ Liczba magistral

⋄ jednobramowe, jednodostępne

⋄ wielobramowe, wielodostępne

Pamięci półprzewodnikowe (2) .

⊲ Sposób wprowadzania i wyprowadzania informacji

⋄ równoległe

⋄ szeregowe

⋄ szeregowo-równoległe

⊲ Rodzaj synchronizacji

⋄ asynchroniczne

⋄ synchroniczne

⊲ Organizacja wewnętrzna

⋄ liczba matryc

⋄ rozmiar matrycy

⋄ liczba bitów pamiętana w pojedynczej komórce

Organizacja wewnętrzna pamięci półprzewodnikowych.

CAS (column address strobe)

adres kolumny

zapis/odczyt

RAS(row address strobe)

we/wy

adres wiersza

matrycakomórekpamięci

wzmacniaczeodczytu

i bramkowanie

Parametry użytkowe pamięci półprzewodnikowych .

⊲ Pojemność

⊲ Szybkość dostarczania danych

⊲ Koszt na jeden bit

⊲ Ziarnistość

⊲ Czas dostępu

⊲ Czas cyklu

⊲ Organizacja zewnętrzna

Organizacja zewnętrzna pamięci półprzewodnikowych.

⊲ układ scalony

liczba adresów × liczba bitów w układzie = pojemność układu

64 M× 4 b = 256 Mb

⊲ moduł

liczba układów × liczba bitów w układzie = liczba bitów w module

18× 4 b = 72 b = 64 b danych + 8 b ECC

liczba adresów × liczba bitów danych = pojemność modułu

64 M× 64 b = 512 MB

⊲ pamięć

pojemność modułu× liczba modułów = pojemność pamięci

512 MB× 2 = 1 GB

Pamięci nieulotne .

⊲ MROM, ROM – mask programmable read only memory

⊲ PROM – programmable read only memory

⊲ UV-EPROM, EPROM – erasable programmable read only memory

⊲ OTPROM – one time programmable read only memory

⊲ EEPROM – electrically erasable programmable read only memory

⊲ Flash

⋄ NOR

⋄ NAND

Pamięci o dostępie swobodnym .

⊲ RAM – random access memory

⋄ statyczne – SRAM

⋄ dynamiczne – DRAM

⊲ Pamięci dynamiczne wymagają odświeżania.

⊲ Pamięci statyczne są szybsze niż dynamiczne.

⊲ Cena za bit w pamięciach statycznych jest większa niż w pamięciachdynamicznych.

Pamięci dynamiczne .

⊲ Asynchroniczne

⊲ Synchroniczne

⋄ (SDR) SDRAM

⋄ DDR(x) SDRAM

Cykl odczytu pamięci dynamicznej .

czas cyklu

czas dostępu

RAS

CAS

r1 c1 r2 c2

d1 d2

Tryb stronicowy .

⊲ FPM – fast page mode

RAS

CAS

r c1 c2 c3 c4

d1 d2 d3 d4

⊲ EDO – extended data outRAS

CAS

r c1 c2 c3 c4

d1 d2 d3 d4

Tryb pakietowy .

3-1-1-1

RAS

CAS

r c

d1 d2 d3 d4

Pamięci synchroniczne .

zegar

RAS

CAS

adres

dane

r c r′

d1 d2 d3 d4

zegar

rozkaz

adres

dane

act red red pre

r c1 c2

d1,1 d1,2 d1,3 d2,1 d2,2 d2,3 d2,4

Pamięci podręczne .

⊲ Niedopasowanie między szybkościami działania procesora i pamięcioperacyjnej

⊲ Mniejsza pamięć może być szybsza

⊲ Zasada lokalności odwołań do pamięci

⋄ czasowa

⋄ przestrzenna

⊲ Do 3 poziomów

⊲ Stopniowa integracja ze strukturą mikroprocesora

⊲ Osobne pamięci pierwszego poziomu dla danych i kodu

Zasada działania .

te = ptc + (1− p)(tc + tm)

te

tm=tc

tm+ 1− p

te – efektywny średni czas dostęputc – czas dostępu do pamięci podręcznejtm – czas dostępu do pamięci głównejp – prawdopodobeństwo trafienia (ang. hit rate)1− p – prawdopodobeństwo chybienia (ang. miss rate)

Odwzorowanie bezpośrednie, 1-skojarzeniowe .

adresznacznik indeks nr bajtu

znacznik dane atrybuty

znacznik dane atrybuty

znacznik dane atrybuty

znacznik dane atrybuty

porównanie znaczników wybór bajtu

trafienie/chybienie odczyt danych

Zjawisko migotania .

⊲ Naprzemienne odczytywanie danych spod adresów o tym samymindeksie, ale różnych znacznikach

⊲ Skojarzeniowość – liczba bloków (wierszy, linii), w których mogąznajdować się dane o takim samym znaczniku

⊲ Odwzorowanie sekcyjno-skojarzeniowe, n-skojarzeniowe, n > 1

⋄ Wymaga równoległego porównania n znaczników przy każdymodczycie.

⊲ Odwzorowanie (w pełni) skojarzeniowe, asocjacyjne

⋄ Wymaga równoległego porównania wszystkich znaczników przykażdym odczycie.

Algorytmy zastępowania .

⊲ Jeśli skojarzeniowość jest większa niż jeden, potrzebny jest algorytmzastępowania.

⊲ LRU (least recently used, najdawniej ostatnio używany) – zastępo-wany blok, który pozostawał w pamięci podręcznej najdłużej bezodwoływania się do niego

⊲ Pseudo-LRU – uproszczona wersja LRU

⊲ Non-MRU – uproszczona wersja LRU

⊲ FIFO (first in first out, pierwszy wchodzi pierwszy wychodzi) – za-stępowany blok, który pozostawał w pamięci podręcznej najdłużej

⊲ LFU (least frequently used, najrzadziej używany) – zastępowanyblok, do którego było najmniej odwołań

⊲ Zastępowany losowo wybrany blok

Uzgadnianie zawartości między różnymi poziomami .

⊲ Zapis jednoczesny (ang. write through)

⋄ Zapis do pamięci głównej odbywa się równocześnie z zapisem dopamięci podręcznej.

⋄ Potrzebny jest bufor dla operacji zapisu do pamięci głównej.

⊲ Zapis opóźniony (ang. copy/write back)

⋄ Zapis odbywa się zawsze tylko do pamięci podręcznej.

⋄ Zapis do pamięci głównej odbywa się, gdy zachodzi koniecznośćusunięcia z pamięci podręcznej bloku, który ma inną zawartośćniż jego odpowiednik w pamięci głównej.

⊲ Wcześniejszy odczyt (ang. prefetch)

Uzgadnianie zawartości na jednym poziomie .

⊲ Algorytmy

⋄ MESI⋄ MSI⋄ MOSI⋄ MOESI

⊲ Stany

⋄ Modified – mam ważną kopię bloku, który został zmodyfikowany.⋄ Owned – jestem właścicielem tego bloku i ponoszą odpowiedzial-ność za wszystkie odwołania do niego.⋄ Exclusive – mam ważną kopię bloku, który nie został zmodyfiko-wany.⋄ Shared – wszyscy mają kopię tego bloku.⋄ Invalid – blok zawiera nieważne dane.

Prawdopodobieństwo trafienia .

⊲ Zależy od:

⋄ stosunku wielkości pamięci podręcznej do pamięci głównej,

⋄ wielkości bloku pamięci podręcznej (nieliniowo),

⋄ skojarzeniowości.

Pamięci masowe .

⊲ Urządzenia wejścia-wyjścia

⊲ Operowanie na blokach, sektorach danych

⊲ Technologie „mechaniczne”:

⋄ dyski magnetyczne (dyski twarde, dyskietki)

⋄ taśmy magnetyczne

⋄ dyski optyczne

⋄ dyski magnetyczno-optyczne

⊲ Technologie półprzewodnikowe:

⋄ pamięci USB (ang. pendrive)

⋄ SSD (ang. solid-state drive, solid-state disk)

Budowa dysku twardego .

⊲ Jeden do kilku dysków umieszcza się na wspólnej osi w hermetycznejobudowie.

⊲ Dyski wykonuje się z aluminium lub szkła.

⊲ Dyski pokrywa się twardym ferromagnetykiem:

⋄ pierwiastki ferromagnetyczne: żelazo, kobalt, nikiel, gadolin, dys-proz;

⋄ stopy i związki chemiczne (np. tlenki) pierwiastków ferromagne-tycznych;

⋄ inne związki chemiczne, np. dwutlenek chromu.

Zapisywanie i odczytywanie dysku twardego .

⊲ Zespół głowic porusza się w przybliżeniu wzdłuż promienia dysku.

⊲ Głowica zapisująca zbudowana jest z rdzenia ze szczeliną, wyko-nanego z miękkiego ferromagnetyka, na którym „nawinięto” cewkęz drutu miedzianego.

⊲ Przepływ prądu w cewce powoduje powstawanie w szczelinie polamagnetycznego, które przemagnesowuje nośnik.

⊲ Odczyt:

⋄ indukcja elektromagnetyczna – głowica odczytująca ma konstruk-cję analogiczną jak głowica zapisująca, może to być ta sama gło-wica;

⋄ zjawisko magnetorezystancji – zmiana rezystancji półprzewod-nika pod wpływem pola magnetycznego.

Organizacja dysku twardego (1) .

⊲ Liczba głowic odpowiada liczbie wykorzystanych stron dysków.

⊲ Dane rozmieszczone są na koncentrycznych ścieżkach.

⊲ Cylindrem nazywamy zbiór ścieżek, które mogą być odczytane przezróżne głowice bez ich przesuwania.

⊲ Ścieżka podzielona jest na sektory.

⊲ Liczba sektorów na ścieżce może być stała lub zmienna.

⊲ Przeplot

⊲ Eliminowanie uszkodzonych sektorów

Organizacja dysku twardego (2) .

⊲ Format sektora

przerwa identyfikacja przerwa dane przerwa

synchro-nizacja

nrścieżki

nrsektora

korekcjabłędów

synchro-nizacja

właściwedane

korekcjabłędów

⊲ Czas dostępu

⋄ czas poszukiwania ścieżki (ang. seek delay)

⋄ opóźnienie obrotowe (ang. rotational delay)

⋄ czas przesyłania (ang. transfer time)

Dyski optyczne .

⊲ Odczyt za pomocą lasera

⋄ landy – fragmenty odbijające

⋄ pity – fragmenty wytłumiające

⊲ Zapis

⋄ tłoczenie z matrycy – dyski tylko do odczytu (typu ROM)

⋄ wypalanie laserem barwnika polimerowego – dyski do jednokrot-nego zapisu (typu R)

⋄ zmiana postaci nośnika (krystaliczna, amorficzna) przez kontro-lowanie laserem procesu jego podgrzewania i chłodzenia – dyskido wielokrotnego zapisu (typu RW, RAM)

Technologie dysków optycznych .

Technologia Długość fali lasera [nm]

CD 780

DVD 650

Blu-ray 405

Organizacja dysku CD .

⊲ Jedna spiralna ścieżka fizyczna podzielona na ramki i sektory, za-czynająca się przy środku dysku

⊲ Ścieżki logiczne (ang. track) odpowiadające utworom muzycznymna płycie audio

⊲ System plików: ISO 9660, RockRidge (Unix), Joliet (Windows), HFS(MacOS), HPFS (OS/2)

⊲ Kodowanie dźwięku: Linear PCM

Organizacja dysku DVD .

⊲ Jedna lub dwie strony

⊲ Jedna lub dwie warstwy na stronie

⊲ Ścieżka w warstwie zewnętrznej zaczynająca się przy środku dysku

⊲ Ścieżka w warstwie wewnętrznej zaczynająca się przy krawędzidysku (tryb OTP) lub przy środku dysku (tryb PTP)

⊲ System plików: UDF

⊲ Kodowanie dźwięku: Linear PCM, Dolby Digital, DTS Digital Sur-round

⊲ Kodowanie obrazu: MPEG-2

⊲ Konkurencyjne technologie dysków zapisywalnych:DVD−R, DVD−RW, DVD+R, DVD+RW

Organizacja dysku Blu-ray .

⊲ Jedna lub dwie warstwy

⊲ System plików: UDF

⊲ Kodowanie dźwięku: Linear PCM, Dolby Digital, Dolby DigitalPlus, Dolby TrueHD, DTS Digital Surround, DTS-HD

⊲ Kodowanie obrazu: MPEG-2, MPEG-4

Dyski magnetyczno-optyczne .

⊲ Odczyt za pomocą lasera wykorzystuje zjawisko Kerra:

⋄ skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła przy odbiciu od mate-riału ferromagnetycznego zależy od kierunku namagnesowania.

⊲ Zapis wykorzystuje przejście między ferromagnetykiem a parama-gnetykiem w temperaturze Curie:

⋄ laser podgrzewa punktowo warstwę magnetyczną,

⋄ głowica magnetyczna dokonuje przemagnesowania domen magne-tycznych,

⋄ obniżenie temperatury utrwala zapis.

⊲ Organizacja jak na dyskach twardych

Metody zapisu, zapisywania i odczytywania .

⊲ CAV (constant angular velocity) – stała prędkość kątowa

⊲ CLV (constant linear velocity) – stała prędkość liniowa

⊲ ZCLV (zoned CLV) – dysk podzielony jest na strefy o stałych pręd-kościach liniowych.

⊲ CAA (constant angular acceleration) – odmiana CLV, w której pręd-kość kątowa zmienia się krokowo ze stałym przyspieszeniem (opóź-nieniem).

Taśmy magnetyczne .

⊲ Archiwizacja danych

⊲ Dostęp sekwencyjny – długi średni czas dostępu

⊲ Podłoże polimerowe pokryte warstwą magnetyczną

⊲ Kasety jedno- lub dwuszpulowe

⊲ Zapis

⋄ liniowy lub serpentynowy – wiele równoległych głowic, ścieżkirównoległe do krawędzi taśmy

⋄ helikalny – wirujący zespół głowic, ścieżki ukośne

RAID .

⊲ Redundant Array of Independent Disks

⊲ D. A. Patterson, G. A. Gibson, R. H. Katz, A case for redundantarray of inexpensive disks, SIGMOD, 1988, 109–116.

⋄ oryginalne poziomy 1 do 5

⊲ Implementacja

⋄ sprzętowa

⋄ programowa

⋄ hybrydowa

RAID 0 .

B1 B2B3 B4B5 B6B7 B8

Bi – blok danych

RAID 1 .

B1 B1B2 B2B3 B3B4 B4

Bi – blok danych

RAID 2 .

b1,1 b1,2 b1,3 b1,4 c1,1 c1,2 c1,3

b2,1 b2,2 b2,3 b2,4 c2,1 c2,2 c2,3

b3,1 b3,2 b3,3 b3,4 c3,1 c3,2 c3,3

b4,1 b4,2 b4,3 b4,4 c4,1 c4,2 c4,3

bi,j – bit danych, ci,k – bit kontrolny kodu Hamminga

ci,1 = bi,1 ⊕ bi,2 ⊕ bi,4ci,2 = bi,1 ⊕ bi,3 ⊕ bi,4ci,3 = bi,2 ⊕ bi,3 ⊕ bi,4

RAID 3 .

b1,1 b1,2 b1,3 p1b2,1 b2,2 b2,3 p2b3,1 b3,2 b3,3 p3b4,1 b4,2 b4,3 p4

bi,j – bit danych, pi – bit parzystości

pi = bi,1 ⊕ bi,2 ⊕ bi,3

RAID 4 .

B1,1 B1,2 B1,3 P1B2,1 B2,2 B2,3 P2B3,1 B3,2 B3,3 P3B4,1 B4,2 B4,3 P4

Bi,j – blok danych, Pi – blok parzystości

Pi = Bi,1 ⊕Bi,2 ⊕Bi,3

RAID 5 .

B1,1 B1,2 B1,3 P1B2,1 B2,2 B2,3P2B3,1 B3,2 B3,3P3

B4,1 B4,2 B4,3P4

Bi,j – blok danych, Pi – blok parzystości

Pi = Bi,1 ⊕Bi,2 ⊕Bi,3

RAID 6 .

B1,1 B1,2 B1,3 P1 Q1B2,1 B2,2 B2,3P2 Q2B3,1 B3,2 B3,3P3 Q3

B4,1 B4,2 B4,3P4 Q4

Bi,j – blok danych

Pi, Qi – bloki korekcyjne kodu Reeda–Solomona

RAID 0+1 .

B1 B2 B3 B1 B2 B3B4 B5 B6 B4 B5 B6B7 B8 B9 B7 B8 B9B10 B11 B12 B10 B11 B12

RAID 0︷ ︸︸ ︷

RAID 0︷ ︸︸ ︷

RAID 1︷ ︸︸ ︷

Bi – blok danych

RAID 1+0 .

B1 B1 B2 B2 B3 B3B4 B4 B5 B5 B6 B6B7 B7 B8 B8 B9 B9B10 B10 B11 B11 B12 B12

RAID 1︷ ︸︸ ︷

RAID 1︷ ︸︸ ︷

RAID 1︷ ︸︸ ︷

RAID 0︷ ︸︸ ︷

Bi – blok danych

RAID 5+0 .

B1,1 B1,2 P1 B2,1 B2,2 P2B3,1 P3 B3,2 B4,1 P4 B4,2P5 B5,1 B5,2 P6 B6,1 B6,2B7,1 B7,2 P7 B8,1 B8,2 P8

RAID 5︷ ︸︸ ︷

RAID 5︷ ︸︸ ︷

RAID 0︷ ︸︸ ︷

Bi,j – blok danych, Pi – blok parzystości

Pi = Bi,1 ⊕Bi,2

Pamięci przyszłości .

⊲ Czas dostępu jak w SRAM

⊲ Niepotrzebne wielopoziomowe pamięci podręczne

⊲ Gęstość jak DRAM

⊲ Cena za bit jak w DRAM

⊲ Nieulotne

⊲ Praktycznie nieograniczona liczba zapisów

⊲ Ujednolicenie pamięci operacyjnej i masowej

⊲ MRAM?