Книги: [Классика] [Базы данных] [Internet/WWW] [Сети] [Программирование] [UNIX] [Windows] [Безопасность] [Графика] [Software Engineering] [ERP-системы] [Hardware]

Техника оптимизации программ Эффективное использование памяти Касперски К. Издано: 2003, BHV Твердый переплет, 560 стр.. Заказать книгу в магазине "Мистраль" Оглавление Об авторе Введение в книгу Введение в оптимизацию Профилировка программ Оперативная память - из глубин времен до наших дней Проблемы тестирования оперативной памяти Принципы функционирования SRAM

Принципы функционирования SRAM Крис Касперски История История создания статической памяти уходит своими корнями в глубину веков. Память первых релейных компьютеров по своей природе была статической и долгое время не претерпевала практически никаких изменений (во всяком случае - концептуальных), - менялась лишь элементарная база: на смену реле пришли электронные лампы, впоследствии вытесненные сначала транзисторами, а затем TTL- и CMOS-микросхемами… но идея, лежащая в основе статической памяти, была и остается прежней… Динамическая память, изобретенная, кстати, значительно позднее, в силу фундаментальных физических ограничений, так и не смогла сравняться со статической памятью в скорости. В ядре Ядро микросхемы статической оперативной памяти (SRAM - Static Random Access Memory) представляет собой совокупность триггеров - логических устройств, имеющих два устойчивых состояния, одно из которых условно соответствует логическому нулю, а другое - логической единице. Другими словами, каждый триггер хранит один бит информации, - ровно столько же, сколько и ячейка динамической памяти (см. статью "Устройство и принципы функционирования оперативной памяти. В ядре"). Между тем, триггер как минимум по двум позициям обыгрывает конденсатор: а) состояния триггера устойчивы и при наличии питания могут сохраняться бесконечно долго, в то время как конденсатор требует периодической регенерации; б) триггер, обладая мизерной инертностью, без проблем работает на частотах вплоть до нескольких ГГц, тогда как конденсаторы "сваливаются" уже на 75-100 МГц. К недостаткам триггеров следует отнести их высокую стоимость и низкую плотность хранения информации. Если для создания ячейки динамической памяти достаточного всего одного транзистора и одного конденсатора, то ячейка статической памяти состоит как минимум из четырех, а в среднем шести - восьми транзисторов, поэтому мегабайт статической памяти оказывается по меньшей мере в несколько раз дороже. Устройство триггера В основе всех триггеров лежит кольцо из двух логических элементов "НЕ" (инверторов), соединенных по типу "защелки" (см. рис. 1). Рассмотрим, как он работает. Если подать на линию Q сигнал, соответствующий единице, то, пройдя сквозь элемент D.D1 он обратится в ноль. Но, поступив на вход следующего элемента, - D.D2 - этот ноль вновь превратится в единицу. Поскольку, выход элемента D.D2 подключен ко входу элемента D.D1, то даже после исчезновения сигнала с линии Q, он будет поддерживать себя самостоятельно, т.е. триггер перейдет в устойчивое состояние. Образно это можно уподобить дракону, кусающему себя за хвост. Естественно, если на линию Q подать сигнал, соответствующий логическому нулю, - все будет происходить точно так же, но наоборот! Рис. 1. Устройство простейшего триггера (слева). Образно это можно представить драконом, кусающим свой хвост Устройство элемента "НЕ" (инвертора) Как устроен элемент "НЕ"? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. В зависимости от имеющейся у нас элементарной базы, конечная реализация варьируется в очень широких пределах. Ниже в качестве примера приведена принципиальная схема простейшего инвертора, сконструированного из двух последовательно соединенных комплементарых /* взаимно дополняемых */ CMOS-транзисторов - p- и n- канального (см. рис. 2). Если на затворы подается нулевой уровень, то открывается только p-канал, а n-канал остается разомкнутым. В результате, на выходе мы имеем питающее напряжение (т. е. высокий уровень). Напротив, если на затворы подается высокий уровень, размыкается n-канал, а p-канал - замыкается. Выход оказывается закорочен на массу и на нем устанавливается нулевое напряжение (т. е. низкий уровень). Рис. 2. Устройство элемента НЕ (инвертора) Устройство матрицы статической памяти Подобно ячейкам динамической памяти (см. статью "Устройство и принципы функционирования оперативной памяти. Conventional DRAM Page Mode DRAM - "обычная" DRAM"), триггеры объединяются в единую матрицу, состоящую из строк (row) и столбцов (column), последние из которых так же называются битами (bit). В отличии от ячейки динамической памяти, для управления которой достаточно всего одного ключевого транзистора, ячейка статической памяти управляется как минимум двумя. Это не покажется удивительным, если вспомнить, что триггер, в отличии от конденсатора, имеет раздельные входы для записи логического нуля и единицы соответственно. Таким образом, на ячейку статической памяти расходуется целых шесть транзисторов (см. рис. 3) - четыре идут, собственно, на сам триггер и еще два - на управляющие "защелки". Рис. 3. Устройство 6-транзисторной одно-портовой ячейки SRAM-памяти Причем, шесть транзисторов на ячейку - это еще не предел! Существуют и более сложные конструкции! Основной недостаток шести транзисторной ячейки заключается в том, что в каждый момент времени может обрабатываться всего лишь одна строка матрицы памяти. Параллельное чтение ячеек, расположенных в различных строках одного и того же банка невозможно, равно как невозможно и чтение одной ячейки одновременно с записью другой. Этого ограничения лишена многопортовая память. Каждая ячейка многопортовой памяти содержит один-единственный триггер, но имеет несколько комплектов управляющих транзисторов, каждый из которых подключен к "своим" линиям ROW и BIT, благодаря чему различные ячейки матрицы могут обрабатываться независимо. Такой подход намного более прогрессивен, чем деление памяти на банки. Ведь, в последнем случае параллелизм достигается лишь при обращении к ячейкам различных банков, что не всегда выполнимо, а много портовая память допускает одновременную обработку любых ячеек, избавляя программиста от необходимости вникать в особенности ее архитектуры. (Замечание: печально, но кэш-память x86-процессор не истинно многопортовая, а состоит из восьми одно-портовых матриц, подключенных к двух портовой интерфейсной обвязке) Наиболее часто встречается двух - портовая память, устройство ячейки которой изображено на рис. 4. (внимание! это совсем не та память которая, в частности, применяется в кэше первого уровня микропроцессоров Intel Pentium). Нетрудно подсчитать, что для создания одной ячейки двух - портовой памяти расходуется аж восемь транзисторов. Пусть емкость кэш-памяти составляет 32 Кб, тогда только на одно ядро уйдет свыше двух миллионов транзисторов! Рис. 4. Устройство 8-транзистроной двух портовой ячейки SRAM-памяти Рис. 5, 6. Ячейка динамической памяти воплощенная в кристалле Устройство интерфейсной обвязки По своему устройству, интерфейсная обвязка матрицы статической памяти, практически ничем не отличается от аналогичной ей обвязки матрицы динамической памяти (см. статью Устройство и принципы функционирования оперативной памяти. Conventional DRAM Page Mode DRAM - обычная DRAM") Поэтому, не будем подробно останавливаться на этом вопросе и рассмотрим его лишь в общих чертах. Пожалуй, единственное различие в интерфейсах статической и динамической памяти заключается в том, что микросхемы статической памяти имея значительно меньшую емкость (а, следовательно - и меньшее количество адресных линий) и геометрически располагаясь гораздо ближе к процессору, могут позволить себе роскошь не прибегать к мультиплексированию. И потому, для достижения наивысшей производительности, номера строк и столбцов чаще всего передаются одновременно. Если статическая память выполнена в виде самостоятельной микросхемы, а не располагается непосредственно на кристалле процессора, линии ее входа зачастую объединяют с линиями выхода, и требуемый режим работы приходится определять по состоянию специального вывода WE (Write Enable). Высокое состояние вывода WE готовит микросхему к чтению данных, а низкое - к записи. Статическая память, размещенную на одном кристалле вместе с процессором, обычно не мультиплексирует, и в этом случае содержимое одной ячейки можно читать параллельно с записью другой (линии входа и выхода ведь раздельные!). Номера столбцов и строк поступают на декодеры столбца и строки соответственно (см. рис. 7). После декодирования расшифрованный номер строки поступает на дополнительный декодер, вычисляющий, принадлежащую ей матрицу. Оттуда он попадает непосредственно на выборщик строки, который открывает "защелки" требуемой страницы. В зависимости от выбранного режима работы чувствительный усилитель, подсоединенный к битовым линейкам матрицы, либо считывает состояние триггеров соответствующей raw-линейки, либо "перещелкает" их согласно записываемой информации. Рис. 7. Устройство типовой микросхемы SRAM-памяти Временные диаграммы чтения/записи Временные диаграммы чтения/записи статической памяти практически ничем не отличаются от аналогичных им диаграмм микросхем динамической памяти (что и неудивительно, т. к. интерфейсная обвязка в обоих случаях схожа). Цикл чтения Цикл чтения начинается со сброса сигнала CS (Chip Select - Выбор Чипа) в низкое состояние, давая понять тем самым микросхеме, что чип "выбран" и сейчас с ним будут работать (и работать будут, и прорабатывать!). К тому моменту, когда сигнал стабилизируется, на адресных линиях должен находиться готовый к употреблению адрес ячейки (т.е. номер строки и номер столбца), а сигнал WE должен быть переведен в высокое состояние (соответствующее операции чтения ячейки). Уровень сигнала OE (Output Enable - разрешение вывода) не играет никакой роли, т.к. на выходе пока ничего не содержится, точнее выходные линии находятся в, так называемом, высоко импедансом состоянии. Спустя некоторое время (tAddress Access), определяемое быстродействием управляющей логики и быстротечностью переходных процессорах в инверторах, на линиях выхода появляются долгожданные данные, которые вплоть до окончания рабочего цикла (tCycle) могут быть непосредственно считаны. Обычно время доступа к ячейке статической памяти не превышает 1 - 2 нс., а зачастую бывает и меньше того! Цикл записи Цикл записи происходит в обратном порядке. Сначала мы выставляем на шину адрес записываемой ячейки и одновременно с этим сбрасываем сигнал WE в низкое состояние. Затем, дождавшись, когда наш адрес декодируется, усилиться и поступит на соответствующие битовые линии, сбрасываем CS в низкий уровень, приказывая микросхеме подать сигнал высокого уровня на требуемую линию row. Защелка, удерживающая триггер, откроется и в зависимости от состоянии bit-линии, триггер переключится в то или иное состояние. Рис. 8. Временные диаграммы чтения/записи асинхронной статической памяти Типы статической памяти Существует как минимум три типа статической памяти: асинхронная (только что рассмотренная выше), синхронная и конвейерная. Все они практически ничем не отличаются от соответствующих им типов динамической памяти (см. статью "Устройство и принципы функционирования оперативной памяти"), поэтому, во избежание никому не нужного повторения ниже приведено лишь краткое их описание. Асинхронная статическая память Асинхронная статическая память работает независимо от контроллера и потому, контроллер не может быть уверен, что окончание цикла обмена совпадет с началом очередного тактового импульса. В результате, цикл обмена удлиняется по крайней мере на один такт, снижая тем самым эффективную производительность. "Благодаря" последнему обстоятельству, в настоящее время асинхронная память практически нигде не применяется (последними компьютерами, на которых она еще использовались в качестве кэша второго уровня, стали "трешки" - машины, построенные на базе процессора Intel 80386). Синхронная статическая память Синхронная статическая память выполняет все операции одновременно с тактовыми сигналами, в результате чего время доступа к ячейке укладывается в один-единственный такт. Именно на синхронной статической памяти реализуется кэш первого уровня современных процессоров. Конвейерная статическая память Конвейерная статическая память представляет собой синхронную статическую память, оснащенную специальными "защелками", удерживающими линии данных, что позволяет читать (записывать) содержимое одной ячейки параллельно с передачей адреса другой. Так же, конвейерная память может обрабатывать несколько смежных ячеек за один рабочий цикл. Достаточно передать лишь адрес первой ячейки пакета, а адреса остальных микросхема вычислит самостоятельно, - только успевай подавать (забирать) записывание (считанные) данные! За счет большей аппаратной сложности конвейерной памяти, время доступа к первой ячейке пакета увеличивается на один такт, однако, это практически не снижает производительности, т.к. все последующие ячейки пакета обрабатываются без задержек. Конвейерная статическая память используется в частности в кэше второго уровня микропроцессоров Pentium-II и ее формула (см. статью "Устройство и принципы функционирования оперативной памяти Формула памяти") выглядит так: 2 - 1 - 1 - 1.