Добавление конспектов лекций

Lectures/15. Memory.md

@@ -0,0 +1,179 @@
+# Лекция 15. Память
+
+## Содержание
+
+- [Лекция 15. Память](#лекция-15-память)
+  - [Содержание](#содержание)
+  - [Определение](#определение)
+  - [Характеристики](#характеристики)
+  - [Метод доступа к данным](#метод-доступа-к-данным)
+  - [Иерархия памяти](#иерархия-памяти)
+    - [Локальность по обращению](#локальность-по-обращению)
+  - [Статическая и динамическая память](#статическая-и-динамическая-память)
+    - [Регенерация DRAM](#регенерация-dram)
+    - [Сравнение SRAM и DRAM](#сравнение-sram-и-dram)
+  - [Структура микросхемы памяти](#структура-микросхемы-памяти)
+  - [Блочная память](#блочная-память)
+    - [Расслоение памяти](#расслоение-памяти)
+  - [Способы доставки данных](#способы-доставки-данных)
+  - [Энергонезависимая память](#энергонезависимая-память)
+    - [Flash-память](#flash-память)
+  - [Защита памяти](#защита-памяти)
+  - [Основные материалы лекции](#основные-материалы-лекции)
+
+## Определение
+
+**Система памяти** — это функциональный блок микропроцессорной системы, предназначенный для временного или постоянного хранения данных и команд, состоящий из _запоминающего устройства_ и _устройства управления_.
+
+## Характеристики
+
+- **Ёмкость** — это количество битов данных, которые запоминающее устройство может хранить единовременно.
+- **Единица пересылки** — это количество битов данных, передаваемых по линиям шины одновременно.
+- **Быстродействие** состоит из нескольких характеристик:
+  - _Время выборки данных_ — это время между началом формирования запроса к памяти и получения первых бит информации на выходах из памяти.
+  - _Время хранения данных_
+  - _Период обращения_ — это минимальное время, которое должно пройти между обращениями к памяти.
+  - _Скорость передачи данных_
+
+P.S. Стоит отметить, что не существует памяти, которая будет одновременно и ёмкой, и быстрой, и дешёвой в производстве. В любом случаем придётся жертвовать одним из трёх пунктов.
+
+## Метод доступа к данным
+
+- **Произвольный** — метод, который просто возвращает данные по указанному адресу (RAM — Randoom Access Memory).
+- **Последовательный** — метод, при котором перед получением данных нужно прочитать все ячейки памяти, находящиеся до нужного адреса (видеокассета).
+- **Прямой** — это метод при котором поиск макроячейки осуществляется произвольным методом, а внутри макроячейки осуществляется последовательный поиск нужной ячейки.
+- **Ассоциативный** — это метод, который поиск осуществляется по тегам (Кэш-память).
+
+## Иерархия памяти
+
+  С течением времени производительность процессора увеличивалась в разы быстрее чем производительность памяти, вследствие чего память отделилась от процессора и стала отдельным блоком. Из-за этого появилась **иерархия памяти** (см. рис. 1). Память в компьютере состоит из нескольких уровней, которые условно разделены на две части: внутренняя и внешняя. К внутренняя нужна для функционирования системы, а внешняя для хранения больших данных, которые могут быть использованы процессором не так часто.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_01.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_01.jpg)
+
+*Рис. 1. Иерархия памяти.*
+
+В иерархии памяти можно выделить несколько зависимостей (см. рис. 2):
+
+- Чем ближе часть памяти к процессору, тем меньше у неё ёмкость и тем она быстрее работает.
+- Чем ближе часть памяти к процессору, тем чаще тот к ней обращается.
+- Чем дальше от процессора, тем дешевле единица памяти. Т.е. гигабайт магнитной ленты стоит во много раз дешевле гигабайта кэш-памяти.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_02.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_02.jpg)
+
+*Рис. 2. Зависимости в иерархии памяти.*
+
+### Локальность по обращению
+
+Обращения к памяти обладают временной и пространственной локальностью:
+
+**Временная локальность** — это понятие, отражающее закономерность обращений программ к памяти и, с высокой вероятностью, проявляющееся в повторном использовании данных, к которым недавно уже обращались.
+
+**Пространственная локальность** — это понятие, отражающее закономерность обращений программ к памяти и, с высокой вероятностью, проявляющееся в использовании в ближайшем будущем данных, находящихся по соседним адресам.
+
+Именно из-за этих понятий 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы. Если 10% адресного пространства поместить на быстродействующую память (Например кэш-паять), то 90% времени процессор будет работать с памятью на высокой скорости.
+Поэтому и существует иерархия памяти, которая помогает обходить проблему с быстротой, ёмкостью и дешевизной отдельных уровней памяти. Т.е. если взять быструю, маленькую и дешёвую кэш-память и медленную, большую и дешёвую оперативную память, то получится иерархия памяти, обладающая быстротой, ёмкостью и дешевизной. Это и есть главная причина возникновения иерархии.
+
+## Статическая и динамическая память
+
+**Статическая память** (SRAM) — это память, сделанная из транзисторов (см. рис. 3). Адрес ячейки подаётся на `address decoder`, с помощью которого определяется с какой ячейки считывать/записывать данные. На `drivers` подаются данные, которые будут использованы для записи. На выходе стоят усилители сигнала — `Sense amplifiers`. Обычно из статической памяти делается кэш-память.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_03.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_03.jpg)
+
+*Рис. 3. Статическая память.*
+
+Рассмотрим теперь отдельную ячейку памяти (см. рис. 4). Ячейка статической памяти состоит из двух инверторов, которые в свою очередь состоят из двух транзисторов (Например `М1` и `М2`). Эти два инвертора подключены так, что выход первого соединён со входом второго, а выход второго со входом первого. Таким образом, они образуют бистабильную ячейку. Также существуют транзисторы `M5` и `M6`, которые являются ключами, позволяющие положить в эту ячейку либо 0, либо 1. Итого для организации одной статической ячейки памяти требуется 6 транзисторов.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_04.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_04.jpg)
+
+*Рис. 4. Ячейка статической памяти.*
+
+**Динамическая память** (DRAM) — это память, состоящая из конденсаторов (см. рис. 5). Обычно из статической памяти делается оперативная память.
+
+Ячейка динамической памяти (красный прямоугольник) состоит из одного конденсатора и одного транзистора, являющегося ключом. Если конденсатор заряжен, то в ячейке хранится 1, если разряжен — 0.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_05.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_05.jpg)
+
+*Рис. 5. Динамическая память.*
+
+### Регенерация DRAM
+
+Ввиду малых размеров конденсатора (а значит и его ёмкости), записанная на нем информация хранится крайне недолго — буквально сотые, а то тысячные доли секунды. Причина тому — саморазряд конденсатора. Для борьбы с "забывчивостью" памяти прибегают к ее **регенерации** — периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью. Во время регенерации все процессы, связанные с работой с памятью, останавливаются.
+
+### Сравнение SRAM и DRAM
+
+| Критерий                                  | SRAM                                           | DRAM                                            |
+|:------------------------------------------|:-----------------------------------------------|:------------------------------------------------|
+| Доступ к ячейки памяти                    | В любой момент времени                         | Недоступна во время регенерации                 |
+| Кол-во элементов для одной ячейки памяти  | 6-8 элементов                                  | 2 элемента                                      |
+| Стоимость кб памяти                       | Высокая стоимость                              | Низкая стоимость                                |
+| Стабильность                              | Произвольное содержимое памяти после включения | Сохранение данных даже после выключения питания |
+| Скорость работы                           | 10-50 нс.                                      | До 100 нс.                                      |
+| Применение                                | Кэш-память                                     | Оперативная память                              |
+
+## Структура микросхемы памяти
+
+Рассмотрим структуру устройства микросхемы памяти (см. рис. 6). На вход подаётся адрес ячейки A<sub>m</sub>...A<sub>0</sub>. С помощью `дешифратора адреса столбца` и `дешифратора адреса строки` выделяется нужная ячейка памяти. С помощью `усилителя считывания` на выход подаётся информация с нужной ячейки памяти, которая в дальнейшем идёт на процессор. Также в схеме присутствует устройство `синхронизации и управления`, которое отвечает за корректную работу всех элементов схемы.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_06.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_06.jpg)
+
+*Рис. 6. Структура микросхемы памяти.*
+
+## Блочная память
+
+Иногда не удаётся сделать память единым блоком, и для увеличения адресного пространства применяется **блочную память** (см. рис. 7). В данной схеме банк памяти может хранить только семибитные адреса, а для получения девятибитного адресного пространства надо объединить четыре таких банка. Для управления ними используется `дешифратор номера банка`, которому на вход подаётся два старших бита адреса, а остальные младшие 7 бит идут сразу на вса банки. В результате на `шину данных` придёт информация из нужной ячейки.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_07.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_07.jpg)
+
+*Рис. 7. Блочная память.*
+
+### Расслоение памяти
+
+У схемы блочной памяти, рассмотренной в прошлом примере, есть недостаток: если обращения идут к соседним ячейкам памяти, что происходит довольно часто из-за [пространственной локальности](#локальность-по-обращению), то обработка этих обращений будет осуществляться тоже последовательно. Эта проблема решается использованием **расслоения памяти** (см. рис. 8), т.е. соседние адреса будут находиться в разных банках памяти, вследствие чего запросы к соседним ячейкам памяти будут обрабатываться параллельно.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_08.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_08.jpg)
+
+*Рис. 8. Расслоение память.*
+
+## Способы доставки данных
+
+- Последовательный режим (flow through mode)
+- Регистровый (register to latch)
+- Быстрый постраничный (fast page mode)
+- Пакетный (burst mode)
+- Конвейерный (pipelined mode)
+- Метод удвоенной скорости (double data rate)
+
+Стоит отметить, что все современные компьютеры используют метод удвоенной скорости.
+
+## Энергонезависимая память
+
+- Энергонезависимая память сохраняет свое состояние даже при отключении питания
+  - _ROM_: программируется на этапе производства
+  - Программируемая ROM (_PROM_): может быть запрограммирована пользователем один раз
+  - Стираемая PROM (_EPROM_): может быть стерта (УФ, рентген)
+  - Электрически стираемая PROM (_EEPROM_): стирание происходит через подачу электрического сигнала
+  - _Flash-память_: EEPROM с частичной возможностью стирания (по секторам)
+- Сфера применения энергонезависимой памяти
+  - Встраиваемые программы размещаются в ROM (BIOS, контроллеры дисков, сетевых и графических адаптеров, аппаратно-криптографические средства,…)
+  - Твердотельные накопители (SSD)
+  - Кеш в обычных дисковых накопителях
+
+### Flash-память
+
+Рассмотрим устройство ячейки flash-памяти (см. рис. 9). Она очень похожа на транзистор, за исключением наличия `плавающего затвора`, который находится внутри изолятора. Если подать большое напряжение на вход, то некоторые электроны "перепрыгнут" на плавающий затвор. Чем больше напряжение подаём, тем больше электронов будет перепрыгивать на этот затвор. С помощью этого можно задать, несколько уровней заряженности плавающего затвора, тем самым уже можно закодировать несколько бит информации (Например для 2 битов информации потребуется 4 уровня заряженности). Есть один минус у этого: чем больше уровней, тем ниже надёжность этой памяти.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_09.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_09.jpg)
+
+*Рис. 9. Flash-память.*
+
+## Защита памяти
+
+Некоторые системы требуют дополнительную надёжность для памяти (Например система бортового управления самолёта). Рассмотрим схему памяти с повышенной надёжностью (см. рис. 10). На вход подаётся какая-то информация. Она кладётся в память по каналу `M`, однако эта же информация кодируется с помощью блока `F` и также кладётся в память. Когда не кодированная информация возвращается из памяти, её кодируют и сравнивают с уже сохранённой кодированной: если совпадают, то информация подаётся на выход, если нет, то выдаётся сигнал об ошибке.
+
+![../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_10.jpg](../.pic/Lectures/15.%20Memory/fig_10.jpg)
+
+*Рис. 10. Память с повышенной надёжностью.*
+
+## Основные материалы лекции
+
+1. [Ссылка](https://youtu.be/PBZITnGVdxI?si=EsTtU_rA7ouSCfgP) на видеозапись лекции