Fö 2: Minnen Introduktion, Klassificiering Primärminne Sekundärminne Minneshiearki Cache-minne Introduktion Primärminnet används för att lagra program och data som är aktuella att använda. Sekundärminnet används för långtidslagring av stora mängder program och data. Innan data eller program kan användas av CPUn måste de flyttas till primärminnet. Typeset by FoilTEX 1 Typeset by FoilTEX 2 Interna och externa minnen Primärminnet Primärminnet består av an ordnad mängd minnesceller. Ett ord lagras i varje cell. Varje cell har en unik adress: 0, 1, 2,... Antalet adressbitar bestämmer minnets maximala storlek. Exempel: 16 bitar 65k, 24 bitar 16M, 32 bitar 4G Kontrollenhet för minnet: read/write kontroll och adresshantering. Typeset by FoilTEX 3 Typeset by FoilTEX 4
Modell av Primärminnet Minnesegenskaper Viktiga egenskaper: Hastighet Storlek Kostnad Beror på aktuell teknik. Typeset by FoilTEX 5 Typeset by FoilTEX 6 Minnesåtkomst Minnesåtkomst En read eller write operation till en minnescell kallas en åtkomst (access). Den tid en read/write operation tar kallas åtkomsttid (accesstid). Åtkomsttid och extra tid som krävs innan nästa read/write kan starta kallas Minnescyckeltid. (Ofta är Åtkomsttid och Minnescyckeltid lika) Ofta är Minnescykeltiden större än CPUns klockcyckeltid. Minnet är ofta en flaskhals! Typeset by FoilTEX 7 Typeset by FoilTEX 8
Minnesbandbredd Sammanflätning (Memory banks) Den mängd data som kan hämtas/skrivas varje sekund kallas bandbredd. 1 Bandbredd = mängd data per åtkomst. minnescykeltid Exempel: cykeltid 100 nanosekunder och 4 bytes/åtkomst ger en bandbredd 40 MB/sekund. Tekniker för att öka minnesbandbredden - Minska cykeltiden. Dyrt. Begränsad storklek. - Dela minnet i flera olika nivåer. - Använd parallellism. Typeset by FoilTEX 9 Typeset by FoilTEX 10 Halvledarminnen Vanligaste implementationstekniken är halvledarminnen. Högdensitet, låg effektförbrukning, ganska billigt. Bygger oftast på kisel. Random Access Memory (RAM) Informationen förloras om strömmen bryts. Read Only Memory (ROM) Permanentminne, ROM, kan endast läsas. Kan ligga i minnesadressrymden. Används ofta för centrala delar av operativsystemet. Exempel: BIOS (Basic Input/Output System) Ofta bra prestanda. Låg åtkomsttid. Programmerbar ROM (PROM) kan programmeras en gång. Typeset by FoilTEX 11 Typeset by FoilTEX 12
Read Mostly Memory Erasable PROM (EPROM) kan raderas efter att man skrivit till det. Går att skriva till minnet på nytt men mycket långsamt jämfört med läsning. Flashminne - kan radera hela minnet, eller delar av det, snabbt. Minnesklassifikation Slumpmässig åtkomst (RAM) - Läs och skrivtid är oberoende av var i minnet detta sker. Sekventiell åtkomst (SAM) - Åtkomst endast i en viss ordning. Band. Typeset by FoilTEX 13 Typeset by FoilTEX 14 Minnesklassifikation Exempel: Associativt minne Direkt access storage device (DSAD); Direktåtkomst. - Åtkomst till data utan krav på att andra data skall läsas. - Exempel: Hårddisk. Associativt minne. - Ett RAM där ett ord hämtas baserat på delar av dess innehåll, (istället för en adress). - Alla ord i minnet jämförs parallellt med ett värde. Typeset by FoilTEX 15 Typeset by FoilTEX 16
Sekundärminne Magnetband Disketter Hårddiskar Optiskaminnen Magnetband Plast täckt med Järnoxid. Kan magnetiseras i olika riktningar. Fungerar som en bandspelare. Egenskaper - Sekventiell åtkomst. - Billigt, Stor kapacitet. - Mest för backup och arkiv. Typeset by FoilTEX 17 Typeset by FoilTEX 18 Diskett Polyester täckt med magnetiskt material. Kräver en diskett enhet. Egenskaper - Direkt åtkomst. - Billigt. - Portabelt. Standard format - 5 1/4-tum 360 KB/diskett - 3 1/2 tum 1.44 MB/diskett (700 A4 text). Diskett prestanda Åtkomsttid: - Söktid = Tid för att uppnå konstant rotation + positionering vid rätt spår. - Rotationsfördröjning = tid för att rotera till rätt sektion. Read/Write Tid = Tid det tar att läsa/skriva ett ord. Dataöverföringshastighet (Data transfer rate) DTR = 1 read/write tid Typeset by FoilTEX 19 Typeset by FoilTEX 20
Hårddisk Magnetiskt material ovanpå en metallskiva. Roterar kontinuerligt med mycket hög hastighet för minimal fördröjning. Packeteras tillsammans med kontroll logik i an lufttät behållare. Hårddisk Flera skivor tillsammans med var sitt läs/skriv huvud. Egenskaper: Direktåtkomst Relativt Snabb (söktid 5 ms, DTB 20 MB/s) Backup nödvändig. Daglig dump och eventuell logging av händelser under dagen. Typeset by FoilTEX 21 Typeset by FoilTEX 22 Hårddisk, RAID Parallellism: Hastigheten kan ökas genom läsning från flera hårdiskar samtidigt. RAID = Redundant Array of Independent Discs. Flera hårddiskar med delvis samma information ger möjlighet till skydd ifrån Diskkrasch eller korrumperade filer. - Exempel: Två hårddiskar med samma information (spegling). Ses av operativ systemet som en enda logisk disk. Optiskt minne CD-ROM (Compact Disk ROM). Information representeras av mikroskopiska hål. Då ytan belyses med en laser beror intensiteten hos det reflekterade ljuset på eventuella hål. Detekteras av en sensor. Egenskaper - Bra kapacitet ( 700 MB) - Billig att massproducera. - Portabel - Långåtkomsttid (0.5 s) - Enbart för läsning. Typeset by FoilTEX 23 Typeset by FoilTEX 24
Optiskt minne CD-Recordable (CD-R) - Kan skrivas en gång. - Laser bränner hål i skivan. - Bra för arkivering. CD-Rewritable (CD-RW) - Olika reflexivitet för olika tillstånd. Fasövergång. - Kan skrivas över (upp till 1,000,000 gånger). - Priset på väg ner. Digital Versatile Disc (DVD) - Mycket hög kapacitet (17 GB) - Kan bli billigare... Åtkomst av sekundär minne Sekundär minne delas in i större block (några kilo bytes). Varje block har en adress. Programmerare ser sekundär minne endast som filer. Data flyttas mellan primär och sekundär minne i termer av block. En speciell del av sekundär minnet används för att lagra katalog information. Namn, start adress, storlek. Typeset by FoilTEX 25 Typeset by FoilTEX 26 Diskett Minnesystem Önskemål - Minne som kan lagra stora mängder program/data med en åtkomsttid som matchar CPUn. Problem - Desto större minne desto långsammare - Desto snabbare, desto dyrare Lösning - Sammansatt system med flera minner nivåer. - Ofta bra prestanda på grund av lokalitet Typeset by FoilTEX 27 Typeset by FoilTEX 28
Minneshiearki Minneshiearki Nedåt i hiearkin Minskad Kostnad/bit Ökadnde kapacitet Ökande åtkomsttid Minskat behov av åtkomst från CPU Typeset by FoilTEX 29 Typeset by FoilTEX 30 Cache-Minne Obalans mellan CPU och Primärminne Introduktion Cache-Design Ersättnings- och Skrivregler Typeset by FoilTEX 31 Typeset by FoilTEX 32
Cache-minne Egenskaper Endast en liten del av primärminnets instruktioner/data lagras i Cache. Om CPUn vill komma åt information som inte finns i Cache (en Cache miss ) så kopieras relevant block från primärminnet. I tiden näraliggande åtkomster kommer antagligen vara näraliggande även i adressrymden. Åtkomstmönster som kallas locality of reference principle Cache = snabbt minne mellan CPU och primär minne, lagrar delar av program och data. - Sekvens av instruktioner. - Iterationer. - Sekvenser av data. - Delvis en programmerares ansvar. Typeset by FoilTEX 33 Typeset by FoilTEX 34 Zebos minnesmodell Cache design Storlek på block i Cache Storlek på Cache minnet Översättningsfunktion Ersättningsfunktion Förutsägbar (och iterativ) läsare ger över 90% träff i Cache vanligt. Data lagras tills det skrivs över. Skrivregler Flera nivåer av Cache? Typeset by FoilTEX 35 Typeset by FoilTEX 36
Prestanda beräkningar Direkt översättning Direkt översättning: Varje block i primär minnet översätts till en fix plats i Cache. Typeset by FoilTEX 37 Typeset by FoilTEX 38 Direkt översättning Exempel Typeset by FoilTEX 39 Typeset by FoilTEX 40
Fördelar och Nackdelar Enkel att implementera (billig). Fix placering av block. Associativ översättning Ett primärminnesblock kan läggas var som helst i Cacheminnet. Snabb sökmekanism krävs. Problem om programmet använder två block med samma översättning regelbundet. Typeset by FoilTEX 41 Typeset by FoilTEX 42 Ersättningsalgoritmer Behövs inte vid direkt översättning. Krävs alltid vid associativ översättning. Vilket Cache block skall ersättas? - First-In-First-Out (FIFO). - Least-Recently-Used (LRU). Ersätt det block som tillbringat längst tid i Cache utan åtkomst. - Least-Frequently-Used (LFU). Ersätt det block som har lägst antal åtkomster. - Slumpmässigt block. Skrivregler Problemet - Cache- och Primärminnet skall hållas konsistent utan att prestanda försämras alltför mycket. Write through - Skriv i primärminnet Om blocket finns i Cache Minnet uppdateras kopian i Cachen. - Hastighet för skriv = hastighet hos primärminnet. - Andelen skriv operationer är ca 15%. Write back - Skriv endast i Cache minnet. Skriv i primär minnet först när ett block skall ersättas. - Bra prestanda. Kan kräva mer avancerad hårdvara. Typeset by FoilTEX 43 Typeset by FoilTEX 44
Sammanfattning Minnesåtkomst är en flaskhals. Olika minnesnivåer krävs av pris/prestanda skäl. Minnet organiseras i en hiearki. locality of refenence principle Typeset by FoilTEX 45