Жартылай өткізгішті жадтайтын құрылғылар

SDRAM микросхемалары, өзіндік командалар  жинағы және банктеріның алмасуының  ішкі ұйымдастырылуы бар, параметрлері  программаланатын құрылғылар болып  саналады. Динамикалық жады банктерінің  кезектесуі деректердің бір банктан  оқуына(немесе оған жазылуына), басқа  банктарда алғашқы зарядталу  болып жатқан кезде, мүмкіндік  береді. Пакеттік циклының программаланатын  параметрлері бар жазу және  оқу командаларынан басқа автоматты  түрде регенерациялау және, энергияны  тұтынуы төмендетілінген, деректерді  сақтау режиміне аударатын командалар  бар. Оқу және жазу пакеттік  циклдың ұзындығы   (1, 2, 4, 8 немесе 256 элементтерден), программалануы мүмкін, бұл циклдың  (деректердің жоғалуынсыз) арнайы командамен үзілуі мүмкін. Конвейерлі адрестеу кезектегі  қатынас құру циклын, оның алдындағысының  аяқталуына дейін, инициирлеуге мүмкіндік береді. Регенерациялау жиілігі төмендетілген модификациялары да бар.

Энергияны тұтынуы төмендетілген сақтау режиміне (бұл кезде cыртқы буферлердің қорегі үзіліп тасталады) ауысуы мүмкін. SDRAM микросхемалары, интерфейсінің елеулі ерекшеліктеріне байланысты, SIMM модуліне орналастырыла алмайды, олар DIMM модулдерінде пайдаланылады немесе тікелей жүйелік (немесе  график) тақшада орналастырылады.

Динамикалық жады өнімділігін арттырудың тиімды әдісінің бірі, статикалық кэш-жадыны тікелей жады кристалына орналастыру болып табылады. Бұл кезде кэш, егер ішінде ақпарат болса, процессормен тез алмасуды және өзінің ішіндегісінің тез жаңартылуын қамтамасыз етеді. Соңғы мүмкіншілік, кэш-тің DRAM-мен бір кристалда орналасуының әсерінен, олардың өз ара қатынастарының ішкі болуына байланысты. Бұл жағдайда шиналардың разрятылықтары үлкен болуы және, соған сәйкес,  алмасу  үлкен  деректер   блогымен   жүргізілуі мүмкін. Жадының мұндай екісатылы архитектурасы CDRAM (Cached DRAM) и EDRAM (Enhanced DRAM) микросхемаларында жүзеге асырылған. Mitsubishi и Samsung фирмаларының өнімі – сыйымдылығы 4 және 16 Мбит CDRAM микросхемалары, 128-биттік ішкі деректер шинасы бар, статикалық жадының 16-Кбайттық  кэшіне ие.

Сыйымдылығы 4 Мбит EDRAM микросхемалары Ramtron International фирмасынының  өнімі болып саналады. Оларда ішкі деректер шинасының разрядтылығы 2048 бит статикалық жадының 8-Кбайттық кэші бар. Ішкі кэші бар жады, DRAM-ның әдеттегі кобинациясынан және екінші реттегі кэштен, әсіресе, есептердің ауыстырылып қосылуы әдеттегі кэштің кэш-жаңылысуларының жоғары жиілігіне әкелетін, көпесепті жүйелерде едәуір тиымді.

5.5  Кэш-жады 

Кэш жады жұмыс жылдамдығы баяу құрылғылардың (мысалы, динамикалық жадының) салыстырмалы жылдам процессормен жұмысын үйлестіруге арналған. Кэш жадыны қолдану, оның жұмысында бүкіл жүйенің өнімділігін төмендетуге себеп болатын, күту циклдарын болдырмауға мүмкіндік береді.

Осылайша кэш-жады негізгі жадының жиі қолданылатын ақпарат блоктарының көшірмесін сақтау үшін қызмет етеді (оған жуық арада процессор жағынан қатынас құрылуы ықтимал). Негізгі жадымен салыстырғанда, кэш-жадының жылдамдығы жоғары, себебі табиғатына байланысты ол статикалық жадыға жатады және триггерлік сұлбаларда жүзеге асырылады, сондықтан жадыға қатынас құру циклында процессордың күту тактыларының санын сақтауға мүмкіндік береді. Осы себепті кэш-жады шағын сыйымдылыққа ие, онда деректер блоктарының шектелген саны мен (cache-directory) каталог (негізгі жадының аумақтарына олардың ағымдағы сәйкестік тізімі) қана сақталады. Осылайша, жүйелік тақшаның негізгі динамикалық жадысының тек бөлігі ғана кэштелінеді, мысалы, Pentium үшін DRAM негізгі жадысының тек алғашқы 64 мбайтты ғана кэштеледі. Кэш-жадының сыйымдылығы оның жолдар (оларда деректер блоктары бейнеленеді) санымен және олардың өлшемдерімен анықталады.

5.22-суретте кэштелген жадының  құрылымдық сұлбасы берілген.

Кэштелетін жадыға қатынас құру кезінде кэш-жадының контроллері каталог

бойынша кэш көшірмеде талап етілген деректердің бар-жоғын тексереді.

5.22-сурет Кэштелген жады құрылымы

Егер ол табылса, яғни кэш-табу (cache hit) орындалса, деректерге қатынас құру тек кэш-жадыда жүзеге асырылады, және ол контроллер өндіретін hit сигналы арқылы деректерді жалпы деректер шинасына береді. Егер талап етілген деректердің көшірмесі кэште болмаса, яғни кэш-жаңылысу (cache miss) орын алса, hit сигналы пайда болмайды және деректер негізгі жадыдан оқылады да, сол мезетте кэш-ке жазылады.

Кэштеуден ұту, бір ғана деректерді бірнеше мәрте қолданған кезде ғана, бұл жетістік мысалы, циклдық сипатқа ие қолданбалы программаларда айқын көрінеді. Негізгі динамикалық жадыдан деректерді алғашқы оқығаннан (алғаннан) кейін, кэш-жадыға қайтадан қатынас құру процессордың (жадыға қатынас құру циклындағы) күту тактылары санының жойылуына немесе едәуір қысқаруына әкеледі. Сонымен қатар, процессор мен кэш-жады арасында деректер алмасу кезінде негізгі динамикалық жады бос және оны басқа құрылғылар қолдана алуы немесе онда регенерация циклы орындалуы мүмкін.

Негізгі жадыға қатынас құрудың екі нұсқасы бар. Бірінші нұсқада каталогте іздеу операциясымен бір мезгілде негізгі жадыға қатынас құру басталады, бұл энергияны артық тұтынуға (және жылудың бөлінуіне) әкеледі, бірақ бұл кезде уақытты үнемдеуге болады. Екінші нұсқада негізгі жадыға қатынас құру кэш-жаңылысу анықталғаннан кейін ғана орындалады. Бұл жағдайда энергияны аз тұтынуға қол жеткенменен де, процессордың күту тактысы ұлғайып кетеді.

Кэш-жады контроллері ұзындығы тиянақталған жолдармен жұмыс істейді. Жол негізгі жады блогының көшірмесін сақтай алады, оның өлшемі жолдың ұзындығына сәйкес келеді. Кэш-жадының әрбір жолымен негізгі жадыдан оған көшірілген блоктың адресі туралы ақпарат пен оның күйін білдіретін белгілер байланысты. Жол жарамды, яғни уақыттың ағымдағы сәтінде ол негізгі жадының сәйкес блогын анық бейнелейді, немесе жарамсыз (бос) болуы мүмкін.

Берілген жолды нақты қандай блок (яғни адрестің үлкен бөлігі немесе бет нөмері) иемденгені және оның күйі туралы ақпарат тег (tag) деп аталады және ол, осы жолменен байланысқан, тегтердің арнайы жадысының (tag SRAM) ұяшығында сақталады. Басқа сөзбен айтқанда, тег ақпараттың берілген блогының негізгі жадының қандай ұяшығының көшірмесі екенін анықтайды.

Негізгі жадымен алмасу операциясында әдетте жол тұтасымен (секторланбаған кэш-жады) қатысады, i486 және одан жоғары процессорлар үшін жол ұзындығы, бір пакеттік циклда берілетін (i486 үшін 4х4=16 байт, Pentium үшін – 4х8=32 байт) деректер көлемімен сәйкес келеді. Секторланған кэш-жадыда бір жолда бірнеше көршілес ұяшықтар-секторлар болады,  олардың өлшемі кэштің негізгі жадымен алмасатын деректер үлесінің минимальды көлеміне сәйкес. Әрбір жолға сәйкес келетін каталог жазбасында сол жолдың әрбір секторы үшін жарамды (шындық) биттері сақталуы керек.

Секторлау, кэш-жады көлемін ұлғайту кезінде каталогты сақтауға қажетті жадыны үнемдеуге мүмкіндік береді, себебі каталог битінің үлкен саны тег-ке бөлінетіндіктен, каталог индексінің тереңдігін (элементтер санын) ұлғайтудың орнына, қосымша жарамды биттерін пайдаланған тиімдірек. Жады блогын бейнелеуге арналған кэш жолдары әдетте тек оқу операциялары кезінде ғана бөлінеді.

Кэште көшірмесі жоқ блог тек негізгі жадыға ғана жазылады. Кэштен деректер блогын негізгі жадыға жазудың екі негізгі алгоритмі белгілі: тура жазу WT (Write Through) және кері жазу WB (Write Back).

WT алгоритмі кэштелген блогқа түсетін жазудың әрбір (керек болса, бір байттықты да) операциясының, бір мезгілде кэш жолда және негізгі жадыда, орындалуын қарастырады. Бұл жағдайда әрбір жазу операциясы кезінде процессорға, негізгі жадыға салыстырмалы ұзын жазбаның аяқталуын, күтуге тура келеді. WT алгоритмнің жүзеге асырылуы қарапайым, және кэш пен негізгі жады деректері көшірмелерінің үнемі сәйкес болуы арқасында деректер бүтіндігін қамтамасыз ету жеңіл. Бұл алгоритм үшін тег ақпараты жеткілікті, ал оның бар болуы және модифицирленгендігі туралы белгілердің сақталуының қажеті жоқ (бұл жағдайда, кез-келген жолда әр уақытта қандай да бір блог бар деп болжамданады, қандай екенін – тег көрсетеді). Дегенмен, WT алгоритмі жазудың төменгі тиімділігін қамтамасыз етеді. WT алгоритмінің модифицирленген нұсқасы да бар, оны жүзеге асырған кезде блогтың кейінге қалдырылған буферленген жазылуы орындалады. Бұл жағдайда деректер блогы, шинаның бос тактыларында, FIFO-буфер арқылы негізгі жадыға көшіріледі, бұл жылдамдықты жоғарылатуға мүмкіндік береді.

WВ алгоритмі негізгі жады  шинасындағы жазу операцияларының  санын азайтуға мүмкіндік береді, егер жадының жазылу процесі  жүзеге асырылатын блогы кэште  де бейнеленген болса. Онда физикалық  жазылу процесі алдымен осы  кэштің жарамды жолында орындалады  және «кірленген» немесе модифицирленген  деп, яғни негізгі жадыға көшіруді  талап етуші деп белгіленетін  болады. Осы көшіруден (негізгі жадыға  жазудан) кейін ғана жол «таза»  болып есептелінеді және оны, ақпарат бүтіндігін сақтай отырып, басқа блогтарды кэштеу үшін  пайдалануға болады. Негізгі жадыға  деректер тек тұтас жолмен (секторланған  кэш болған жағдайда, оның барлық  секторларын толтырғаннан кейін), немесе оны кэште жаңа деректермен  ауыстырудың тікелей алдында, көшіріледі. Бұл алгоритм WT-ға қарағанда едәуір  тиімді, бірақ оның жүзеге асырылуы  күрделірек. Кэш жолы мен DRAM негізгі  жадысы аймағының өзара сәйкестігін  анықтау тәсілдеріне байланысты  Кэш-жадының үш архитектурасы  белгілі: тура бейнелеуі бар кэш, жинақты-ассоциативті кэш және  толық ассоциативті кэш.

Тура бейнелеуі бар секторланбаған кэш-жады жұмысының ұйымдастырылуын қарастыралық, оның құрылымы 5.23-суретте берілген. Тура бейнелеуді қамтитын кэш-жадыда кэштелетін жадының қатынас құру  адресі керекті блок бейнесінің орналасуы мүмкін жолды нақты анықтайды. Кэштелетін негізгі жады шартты түрде беттерге бөлінеді, олардың әрқайсысының өлшемі кэш-жады өлшемімен (сыйымдылығымен) сәйкес болады. Кэш-жады (сондай-ақ, шартты түрде негізгі жадының беттері) жолдарға бөлінеді. Мысалы, сыйымдылығы 64 Мбайттық кэштелетін негізгі динамикалық жады DRAM (Pentium үшін жүйелік тақшаның қарапайым кэші) 256 бетке бөлінеді. Оның әрқайсысының өлшемі кэш-жады сыйымдылығына, 256 Кбайтқа тең. Өз кезегінде, кэш-жады өлшемдері 32 байттық 8 К-жолдардан тұрады. Әр жол, кэштелетін жадының кез-келген

бетінен тек өзіне сәйкес жолды ғана бейнелей алады.

Кэш сыйымдылығы негізгі жады сыйымдылығынан едәуір аз болғандықтан, кэштің бір жолы бір уақыт мезетінде онда орналасуға үміткер жады блогтарының тек біреуінің (адрестерінің кіші бөліктері бірдейінің) көшірмесін ғана сақтай алады.

                                                                                                      а)

                                                                                   б)

                                                                     в)

5.23-сурет. Тура бейнелейтін кэш-жадыны ұйымдастыруға түсініктер:

                кэш құрылымы а); процессордан  кэштелетін жадының адресі б) және

                           тура бейнелейтін секторланған  кэштің адресі в).

Процессордан келіп түсетін кэштелетін жадының адресі үш бөлімнен тұрады (5.23, б-сурет). Бірінші бөлім (адрестің кіші разрядтары) бет ішіндегі жолда блогтың орналасу орнын (ығысуын) анықтайды. Екінші бөлім (ортаңғы разрядтары) беттегі жол нөмірін анықтайды. Кэштелетін негізгі жадының бет нөміріне сәйкес келетін үлкен разрядтар (үшінші бөлім) тегтерді құрайды. Tag SRAM ұяшықтарының саны кэш жолдарының санына сәйкес болуы, ал разрядтар саны, кэш-жады адресінің шинасына түспеген, кэштелетін жады адресінің үлкен биттерін орналастыруға мүмкіндік беруі керек. Тегтің адрестік бөлігінен басқа, кэштің әрбір жолымен деректердің нақтылық және модифицирленгендік  белгілерінің биттері байланысты. Кэш-жадыдағы жолдың нөмірі (адресі) индекс деп аталады.

Кэштелетін жадыға қатынас қүру кезінде контроллер алдымен берілген индексі бойынша каталог ұяшығын оқиды. Осыдан соң тегтің адрестік биттерін жады адресінің үлкен биттерімен салыстырады және арнайы сұраныс циклында кэш жолының жарамдылық белгісін талдайды. Егер кэш жолы, ағымдағы уақыт мезетінде негізгі жадының керекті (кэш-табу жағдайы) блогын дұрыс бейнелесе (бұл блок осы жолда болса), онда кэш-жады сұранысқа қызмет көрсетеді, яғни hit ақпаратты беру сигналы туады және кэш жолынан мультиплекстеу арқылы деректер блогы таңдалады. Кэш-жаңылысу жағдайында негізгі жадыдан деректер оқылады да, осы мезгілде кэштің бос(таза) жолына  орналасады, ал оның тегіне адрестің үлкен биттері орналасады және деректердің жарамдылық белгісі орнатылады. Талап етілетін деректердің көлеміне қарамастан, кэшке негізгі жадыдан жол тұтастай көшіріледі (жүктеледі), себебі жарамдылық белгісі оның барлық байттарына қатысты.

Тура бейнелейтін кэштің артықшылығы - аппараттық жүзеге асырылуы қарапайым; ал кемшілігі мынада. Егер программаны орындау кезінде процессорға бет өлшеміне еселі шамаға ығысқан (бір-біріне қатысты) жады блогтары кезекпе-кезек талап етілсе, онда кэш интенсивті, бірақ бос жұмыс істейтін болады, яғни, кэш-адасулардың жаппай кезектесуі орын алады. Көптапсырмалы операциялық жүйелерде беттерді ауыстырып қосу процесі де кэш-табу санын төмендетеді. Бұл жүйе өнімділігіне әсер етеді. Тура бейнелеуді қамтитын архитектура көптеген жүйелік тақшалардың екінші реттік кэштері үшін қолданылады.

Жинақты – ассоциативті архитектурада кэш-жады екіге еселі, шағын жолдар санынан тұратын жиындарға бөлінеді, яғни 2,4,8... және т.б. Кэштелетін жадының әр блогы жинаққа біріккен кэштің бірнеше жолдарын алуға ұмтылады. Бұл жағдайда жады адресінің орташа разрядтары, тура бейнелейтін кэштегі сияқты, жол нөмірін емес, жинақтың (онда талап етілген блог бейнеленуі мүмкін) нөмірін (индексін) анықтайды. Бұл  архитектураны, параллельді және келісілген түрде жұмыс істейтін, бірнеше тура бейнелеуді қамтитын арналар ретінде қарастыруға болады, мұнда кэш контроллеріне, жинақ жолының қайсысына кезекті деректер блогын орналастыру жөнінде шешімді қабылдауға тура келеді. Қарапайым жағдайда, жадының әрбір блогы екі жолдың біріне орналаса алады (сурет 5.24).