A.Kluga

1

• A.Kluga
•  CIPARU ELEKTRONIKA un DATORU ARHITEKTURA
• 3.dala
• 2006

2
Datora atminas ierices

• Datora atminas raksturojums
• Atminas novietojums. Datora atmina var
  but iebuveta procesora, var sastadit ta iekšejo
  pamatatminu vai var but ta papildus atmina.
  Procesora iebuveta atmina ka jau mes apskatijam
  ir registra veida atmina. Bez tam procesora ar
  mikroprogrammejamo vadibas ierici ir iebuveta
  atminas ierice. Datora iekšeja atmina bez
  pamatatminas var saturet ari specialu
  starpatminu, kuru sauc par kešatminu. Areja
  atmina ir disku atmina pieklušana pie kuras
  notiek izmantojot ievades izvades kontrolierus.
  

3
Datora atminas ierices

• Atminas ietilpiba. Visparejs atminas
  ietilpibas raksturojums ir baitu vai vardu skaits
  atmina. Varda garums var but 8, 16, 32 biti.
  Vienibas kadas mera atminas ietilpibu ir baiti,
  kilobaiti (210 baiti), megabaiti (220 baiti),
  gigabaiti (230 baiti), terabaiti (240 baiti) un
  petabaiti (250 baiti).

4
Datora atminas ierices

• Atminas ietilpiba. Visparejs atminas
  ietilpibas raksturojums ir baitu vai vardu skaits
  atmina. Varda garums var but 8, 16, 32 biti.
  Vienibas kadas mera atminas ietilpibu ir baiti,
  kilobaiti (210 baiti), megabaiti (220 baiti),
  gigabaiti (230 baiti), terabaiti (240 baiti) un
  petabaiti (250 baiti).
• Apmainas vienibas lielums. Iekšejai
  atminai tas parasti ir vienads ar kartu skaitu
  kas saista atminas moduli ar procesoru. Kartu
  skaits var but vienads ar varda bitu skaitu, bet
  var but ari 64, 128 vai 256. Gadijumos, kad
  apmainas vieniba parsniedz datora varda garumu šo
  apmainas vienibu sauc par bloku.

5
Datora atminas ierices

• Atminas ierices (AI) raksturo ari
  pieklušanas metode pie glabatas informacijas.
  Izmanto cetras galvenas pieklušanas metodes
  virknes, tiešo,brivo un asociativo pieeju.
• Virknes metode nozime ka ieraksti glabajas
  secigi atminas blokos. Lai pieklutu pie
  nepieciešamajiem datiem (baita vai varda)
  janolasa visa pirms tiem esoša informacija. Ka
  piemeru var minet atminas ierici kura
  informacijas glabašanai izmanto magnetisko lenti.

6
Datora atminas ierices

• Tieša pieklušanas metode. Katram
  ierakstam ir sava unikala adrese, kura norada ta
  atrašanas vietu atminas ierice. Tomer pieklušana
  pie datiem ieraksta bloka notiek virknes veida.
  Tada metode tiek izmantota magnetisko disku
  ierices. Brivas pieejas atminas ierices katrai
  atminas šunai ir sava unikala adrese un
  informacijas ierakstišana vai nolasišana
  neatkarajas no šunas atrašanas vietas. Ka piemeru
  šadai atminas iericei var minet datora operativo
  atminu. Asociativa metode nozime ka informacija
  tiek mekleta pec tas satura (dažu bitu).
  Meklešana notiek visa atminas telpa vienlaicigi.
  Šo metodi izmanto kešatmina.

7
Datora atminas ierices

• Loti svarigs atminas raksturojums ir
  pieejas laiks (Tp). Brivas pieejas atmina tas ir
  laika intervals starp adreses padošanas momenta
  lidz bridim, kad dati tiek ierakstiti atmina vai
  klust pieejami pie nolasišanas. Atminas ierices
  ar kustigam iericem tas ir laiks lidz bridim kad
  ierakstišanas/nolasišanas galvina nostadita
  vajadziga stavokli.
• Atminas cikla laiks (Tc). Šis parametrs
  tiek pielietots atminai ar brivu pieeju un sastav
  no pieejas laika un papildus laika, kas
  nepieciešams, lai varetu atkartoti griezties pie
  atminas. Papildlaiks nepieciešams, lai slapetos
  parejas procesi kopnes un atminas ierices.

8
Datora atminas ierices

• Parraides atrums. Tas ir atrums ar kadu
  dati var tikt padoti vai sanemti no atminas
  ierices. Brivas pieejas atminai šis atrums ir
  vienads ar 1/Tc. Citiem atminas veidiem tas ir
  1/TN, kur TN TA N/R. TA ir videjais laiks N
  bitu ierakstišanai vai nolasišanai, bet R ir
  parraides atrums bits/s.
• Fizisko atminas veidu nosaka atminas
  izgatavošanas tehnologija. Pašreiz
  visizplatitakas ir pusvaditaju AI, atminas
  ierices ar magnetiskiem informacijas nesejiem
  magnetiskiem diskiem un lentem un optiskas AI.

9
Atminas iericu hierarhija

• Parasti atminas ierices ir speka
  sekojošas sakaribas - jo mazaks pieejas laiks jo
  lielakas ir izmaksas viena bita glabašanai, - jo
  lielaka ir atminas ietilpiba, jo mazaka ir cena
  uz vienu bitu, - jo lielaka ir atminas ietilpiba,
  jo lielaks ir pieejas laiks.
• Lai atrisinatu pretrunas kas slepjas
  iepriekš minetajas sakaribas tiek izmantotas
  dažadas ietilpibas AI dažados limenos (att.).
  Visatrdarbigaka ir registra atmina, nedaudz
  lenaka ir kešatmina un datora pamatatmina.
  Savukart no arejam atminas iericem visdargaka,
  bet ar vismazako ietilpibu ir zibatmina, pec tam
  nak magnetiskie diski un optiskie diski. Savukart
  vislenakas, bet ar vislielako ietilpibu ir lenšu
  atminas ierices.

10
Atminas iericu hierarhija
11
Atminas iericu hierarhija
Virzoties no augšas uz leju pa hierarhisko
strukturu 1.     samazinas cena par viena bita
glabašanu, 2.     palielinas atminas
ietilpiba, 3.     palielinas pieejas
laiks, 4.     samazinas procesora griešanas
skaits pie atminas. Mazaka un atraka
atminas ierice tiek papildinata ar lenaku bet
lielaka apjoma AI. Šis strukturas lietderiba
slepjas 4. punkta samazinata procesora
griešanas skaita pie lenakas atminas ierices.
Paskaidrosim nedaudz sikak šo dalu.
12
Atminas iericu hierarhija
Pienemsim, ka procesors izmanto divu limenu
atminas ierices. 1. limenis satur 1000 vardus un
prasa pieejas laiku T1 0.01 ?s, 2. limenis satur
100 000 vardus un prasa pieejas laiku T2 0.1 ?s.
Pienemsim, ka ja vards kurš nepieciešams
procesoram ir 1. limena AI pieeja ir tieša, ja
nepieciešamais vards ir 2. limena AI, tad tas
tiek parvietots uz 1.limena AI un pec tam tas ir
pieejams procesoram. Vienkaršošanas noluka
nenemsim vera laiku, kas nepieciešams procesoram
lai noteiktu kura atminas limeni atrodas
mekletais vards.
13
Atminas iericu hierarhija
Attela paradita atminas pieejas laika
atkariba šadai atminai no relativas attiecibas
H(dati 1. limena AI)/(kopejais griešanas
skaits). Ka redzam no attela paraditas sakaribas
videjais atminas pieejas laiks (TAV), pie H1,
vienads ar T1.
14
Atminas iericu hierarhija
Musu piemera pienemot, ka 95 griešanas
gadijumos dati atrodas 1. limena AI (ta var but
kešatmina) videjo pieejas laiku var aprekinat
sekojoši TAV0.95?0.01?s 0.05?(0.01 0.1)?s
0.0095 0.0055 0.015?s Tatad videjais
pieejas laiks ir daudz tuvaks 1. limena AI
pieejas laikam T10.01?s neka 2. limena pieejas
laikam T20.1 ?s.
15
Atminas iericu hierarhija
Ceturta nosacijuma pamats ir programmas
lokalitate. Tas nozime ka instrukcijas un dati
kurus izmanto procesors atrodas neliela atminas
dala un reti nepieciešams pariet uz citu
programmas dalu. Tas lauj ievietot augstaka
limena atmina kadu dalu no zemaka limena atminas
un ilgstoši to izmantot, pec tam parrakstit
nakošo bloku utt. Pieklušana komandam un datiem,
piemeram to nolasišana, vispirms tiek veikta
augstakaja atminas limeni. Informacijas atrašanu
šaja limeni sauc par trapijumu (hit), neatrašanu
par kludu (miss). Kludas gadijuma pariet uz
nakošo atminas limeni, kura ta pat var but
trapijums vai kluda. Pec informacijas atrašanas
ta tiek parsutita uz augstaka limena atminas
ierici.
16
Pamatatmina
Pirmajos datoros izmantoja magnetisko
serdenu spoles ka atminas elementus. Tagad
pilnigi visos datoros pamatatminai izmanto
pusvaditaju mikroshemas. Pamatatmina ietilpst
divu veidu ierices brivpieejas atminas ierices
(RAM Random Access Memory) un lasamatmina (ROM
Read-Only Memory). RAM atminas ierices ir
energoatkarigas un izsledzot barošanu dati tiek
zaudeti. ROM atminas ierices ir
energoneatkarigas. Galvenie RAM atminas veidi ir
statiskas RAM (SRAM) un dinamiskas RAM (DRAM).
17
Pamatatmina
Dinamiskas RAM par atminas elementu tiek
izmantots kondensatora (C) ladinš. Pienem, ka
uzladets C nozime logisko 1, bet izladets
logisko 0. Ta ka C ir tieksme izladeties DRAM
atminai nepieciešama periodiska ladina
atjaunošana uz C. DRAM elementa shema 1 bita
glabašanai paradita attela.
18
Pamatatmina
Tranzistors VT1 darbojas ka sledzis un
savieno datu liniju ar kondensatoru, ja ir padots
aktivs signals uz adreses liniju, bet atvieno
datu liniju, ja adreses signala nav. Ieraksts
tiek veikts padodot augsta vai zema limena
signalu uz datu liniju. Tads pats spriegums bus
uz kondensatora. Nolasot datus kondensatora
spriegums tiek pievienot datu linijai un pec tam
tiek pastiprinats un padots uz datu kopni.
Nolasot informaciju kondensators papildus
izladejas un ir nepieciešama glabata signala
atjaunošana.
19
Pamatatmina
Statiskas RAM. SRAM binarie dati tiek
glabati izmantojot tradicionalos trigeru
elementus (parasti uz KMOP bazes). Tas nozime, ka
atškiriba no DRAM, dati šajas atminas ierices
saglabasies tik ilgi kamer bus padots barošanas
spriegums. SRAM shema viena bita glabašanai ir
sarežgitaka salidzinajuma ar DRAM, tomer
statiskajai brivas pieejas atminai nav
nepieciešama datu regeneracija. Kopuma tomer
lielu atminas iericu veidošana DRAM ir
izdevigakas, jo to cena un gabariti ir mazaki.
Nelielam atminas iericem SRAM pielietošana ir
efektivaka un tapec tas izmanto kešatmina.
20
Pamatatmina
Lasamatmina (ROM). Šis atminas ierices ir
energoneatkarigas un tiek izmantotas
mikroprogrammas glabašanai, ka ari sistemas
programmas un citu bieži izmantotu funkciju un
proceduru glabašanai. ROM mikroshemas informacija
tiek ievietota izgatavošanas procesa. Un šaja
sakara rodas divas problemas - izdevigi
izgatavot lielas partijas vienadu shemu, -
nedrikst but kludas, ja tadas ir, visa mikroshema
klust nederiga.
21
Pamatatmina
Ja ir nepieciešams mazs skaits lasamatminas
shemu, izdevigak ir veidot programmejamu ROM
(PROM). Tapat ka ROM ari PROM ir energoneatkariga
un pielauj vienreizeju programmešanu.
Informacijas ierakstišana tiek veikta pec
izgatavošanas ar elektriska programmatora
palidzibu. Ierakstita informacija nemainas pie
daudzkartejas lasamatminas izmantošanas.
Cits veids ROM atminai ir parprogrammejama
lasamatmina. Šai atminai ir tris veidi EPROM,
EEPROM un zibatmina.
22
Pamatatmina
Optiski dzešama PROM (optically Erasable
PROM EPROM). Šaja lasamatmina datu nolasišana
un ierakstišana notiek ar elektriskiem signaliem.
Tomer pirms ierakstišanas visas atminas šunas
tiek nostaditas vienada sakuma stavokli
izmantojot ultravioleto starojumu. Informacijas
dzešanu var izdarit daudzkartigi, bet tas parasti
aiznem laiku no 20 lidz 30 minutem.
Elektriski dzešamas PROM (Electrically Erasable
PROM EEPROM). Ši lasamatmina lauj veikt
vairakkarteju programmešanu jebkura laika bez
šunu nostadišanas sakuma stavokli.
23
Pamatatmina
Zibatmina (flash memory). Ta ir elektriski
parprogrammejama pusvaditaju atmina, kas ta
nosaukta pec sava parprogrammešanas atruma, kas
var but dažas sekundes. Ši atmina lauj veikt
parprogrammešanu atseviškas tas dalas (blokos).
Bez tam zibatmina tiek izmantots viens
tranzistors uz vienu informacijas bitu, kas lauj
sasniegt lielu atminas ietilpibu pie maziem
gabaritiem.
24
Atminas mikroshemas organizacija
Ka jebkura integrala shema ari pusvaditaju
atmina tiek izgatavota ka mikroshema, kas satur
noteiktu skaitu atminas šunu. Viens no atminas
logiskas shemas efektivitates raditajiem ir cik
datu biti var tikt ierakstiti vai nolasiti
vienlaicigi. Atminas telpa tiek organizeta vardos
(W), kas katrs satur noteiktu bitu skaitu (B).
Piemeram 16 Mbitu atmina var but organizeta ka 1
M 16 bitu vardi. Otrs veids ir viena bita
mikroshemas organizacija, kad vienlaicigi
ieraksta vai nolasa vienu bitu.
25
Atminas mikroshemas organizacija
Apskatisim tipisku 16 Mbitu DRAM
organizaciju (2.46. att.). Pienemsim, ka
vienlaicigi tiek ierakstiti vai nolasiti 4 biti.
Atminas telpa sastada kvadratu ar 2048?2048
elementiem. Iespejami dažadi fiziski izvietojumi,
bet jebkura gadijuma elementi ir savienoti ar
vertikalam linijam (kolonam) un horizontalam
linijam (rindam). Katra horizontala linija
savienota ar izveles ierici kolona un katra
vertikala linija ar datu nolasišanas
ierakstišanas ierici katra kolonas šuna.
26
(No Transcript)
27
Atminas mikroshemas organizacija
Uz mikroshemu padodas adrešu signali varda
izvelei. Kopuma log2W adrešu signali
nepieciešami. Musu gadijuma 22 adrešu signali
nepieciešami. Šie signali ir sadaliti laika.
Vispirms pa 11 adrešu linijam (A0, A1, , A10)
padodas vienas no 2048 rindas izveles signaliem
kopa ar inverso rindas izveles signalu RAS Row
Address Select. Šie adrešu signali padodas uz
rindu dekoderi, kura izeja formejas viens no 2048
signaliem un tiek izveleta vajadziga rinda
atmina.
28
Atminas mikroshemas organizacija
Pec tam pa adrešu linijam padodas kolonas adrese
vienlaicigi ar inverso kolonas izveles signalu
CAS Column Address Select. Kolonu dekoders
izvelas vienu no 2048 kolonam ar cetru bitu
vardu. Datu (D1, D2, D3, D4) informacija tiek
padota uz ieejas buferiem ierakstišanas gadijuma
kopa ar inverso ierakstišanas signalu WE Write
Enable vai ieguta izejas bufera izeja atminas
lasišanas gadijuma, ja padots inversais lasišanas
signals OE Output Enable.
29
Atminas mikroshemas organizacija
Ja nepieciešams saglabat atmina datu baitu, tad
var izmantot vel vienu šadu mikroshemu uz kuru
padodas datu linijas D5, D6, D7, D8 pie vieniem
un tiem pašiem adrešu signaliem. Tada veida var
dubultot atminas ietilpibu. Palielinot
mikroshemas adrešu liniju skaitu par vienu
atminas ietilpiba palielinasies 4 reizes. Atminas
regeneracijai tiek izmantots regeneracijas
skaititajs, kas pec kartas izveles vienu no
rindam un regenere visus datus kolonas padodot
tos no izejas buferiem uz ieejas buferiem dati
tiek nolasiti un pec tam ierakstiti sava atminas
vieta.
30
Atminas modulveida organizacija
Atminas mikroshemu ražotaji cenšas palielinat to
ietilpibu un atrdarbibu, tomer vienmer datoru
ražotajiem to ietilpiba ir par mazu un tiek
izmantotas vairakas mikroshemas operativas
atminas sastava. Mes apskatisim atminas ar
ietilpibu 512 astonu bitu vardi modulveida
organizaciju, kura tiek izmantotas 4 mikroshemas
katra ar ietilpibu 128 astonu bitu vardi (2.47.
att.).
31
Atminas modulveida organizacija
32
Atminas modulveida organizacija
Lai grieztos pie atminas tiek izmantota 9 liniju
adreses kopne. Septinas jaunakas adreses kartas
(A6, , A0) padodas paraleli uz visiem atminas
moduliem un katra no tiem tiek izvelets viens
astonu bitu vards (šuna). Vecakas divas kartas
(A8 un A7) tiek izmantotas modula numura
noteikšanai. Visbiežak modula numurs tiek
dekodets un ka mikroshemas izveles signals CS
padodas uz izveleto moduli. Otra iespeja, kas ari
ir paradita 2.47. att., ir modulu vardu
multipleksešana. Tads atminas modulis var tikt
uzskatits par vienotu atminu ar ietilpibu vienadu
ar kopejo modulu ietilpibu un atrdarbibu, kas
aptuveni tada ka izmantoto modulu atrdarbiba.
33
Atminas modulveida organizacija
Ja nedaudz izmainit adrešu sadalijumu starp
moduliem, izmantojot ta saukto atminas miju
(Address Interleaving), var samazinat atminas
videjo pieejas laiku. Adrešu mijas metode bazejas
uz iepriekš apskatito programmas izpildes
lokalitates principa. Citiem vardiem, ja notiek
griešanas pie varda ar adresi 10 tad nakoša
veršanas visticamak bus pie varda ar adresi 11,
pec tam pie varda ar adresi 12 utt. Adrešu mija
tiek nodrošinata ar citadu adrešu sadalijumu.
Musu piemera modula izvelei tiek izmantotas
jaunakas adrešu kartas (A1 un A0), bet varda
izvelei tiek izmantotas vecakas kartas (A8, ,
A2) (2.48. att.).
34
Atminas modulveida organizacija
35
Kludu noteikšana un labošana
Pusvaditaju atminas ierices var but par kludu
avotu. Kludas var iedalit fiziskas un programmas
kludas. Fiziskas saistas ar atminas šunas
mehaniskiem vai ražošanas defektiem vai ari
nolietošanos ekspluatacijas procesa. Tas
rezultata atminas šuna var but nemainigi 1 vai 0
stavokli. Programmas kludas parasti ir nejaušas
un saistitas ar nepareizu ierakstu bez šunas
bojajuma. Tas var but izsauktas nejaušu
elektrisko signalu svarstibu rezultata,
radioaktivitates izmainas vai citu iemeslu del.
Lai noverstu šadu kludu ietekmi atminas ierices
ir specialas shemas, kas nosaka un labo kludas.
36
Kludu noteikšana un labošana
37
Kludu noteikšana un labošana
Pirms M kartas datu ieraksta atmina tiek veikta
to apstrade, kuru simbolize funkcija f. Apstrades
rezultata veidojas papildus K kartas kods. Atmina
tiek ierakstiti gan dati, gan papildus kods ar
MK kartam. Papildus kods tiek izmantots, lai pec
datu nolasišanas no atminas atrastu kludas un
iespejams ari tas korigetu. Nolasot informaciju
no atminas atkartoti formejas K kartu papildus
kods, kas tiek salidzinats ar nolasito analogisko
kodu. Salidzinašana var dot sekojošus rezultatus
- kludas nav atklatas un nolasitie dati tiek
padoti uz atminas izeju,
- atklata kluda un ta var tikt labota, dati pec
korekcijas padodas uz atminas izeju, - atklata
kluda, bet ta nevar tikt labota, tiek izdots
bridinajuma signals par kludas esamibu.
38
Kludu noteikšana un labošana
Kodus kurus izmanto kludu atklašanai un labošanai
sauc par korektejošiem kodiem un tos raksturo ar
kludainu bitu skaitu varda, ko tie var atklat un
koriget. Vienkaršakais korektejošais kods var
tikt veidots uz paritates (vieninieku skaits
parskaitlis vai neparskaitlis) bazes. Datu biti
tiek grupeti matricas veida. Katrai matricas
rindai un stabinam tiek pievienots paritates
bits. 64 kartu datiem šo metodi paskaidro tabula.
Datu vardam no 64 bitiem nepieciešami papildus 17
paritates biti pa astoniem rindam un kolonam un
viens lai kontroletu paritates kolonu un rindu.
39
Kludu noteikšana un labošana
40
Steka atmina
Steka atmina tiek izmantota procesora registru
satura saglabašanai izpildot apakšprogrammas vai
apkalpojot partraukumus. Steka atminas darbibas
pamata ir princips pedejais ievadits pirmais
izvadits (Last In First Out LIFO). Steka
atminas funkcionešanu paskaidro 2.50. att. Kad
vards A tiek ierakstits steka, tas tiek ievietots
pirma briva atminas šuna. Katrs nakošais
ierakstamais vards nobida visu steka saturu par
vienu poziciju uz augšu un tiek ierakstits
atbrivota vieta.
41
Steka atmina
42
Steka atmina
Visbiežak steka atminai izmanto operativas
atminas dalu, parasti ar vislielakam adresem. Tas
tiek darits tapec, ka programma parasti tiek
ievietota atmina sakot ar mazakam adresem, un
šaja gadijuma tiek izslegta šo dalu parklašanas.
Steka paplašinašanas pie šada ta novietojuma
notiek adrešu samazinašanas virziena. Steka
adresaciju nodrošina specials procesora registrs,
kuru sauc par steka raditaju (Stack Pointer
SP), kura sakotneji tiek ierakstita steka atminas
lielaka adrese (att.).
43
Steka atmina
Ievietojot vardu steka vispirms steka raditaja
saturs samazinas par vienu un tad tiek veikts
ieraksts. Tada veida steka raditajs vienmer
norada atminas adresi kura tika veikts pedejais
ieraksts. Nolasot informaciju no steka vispirms
tiek nolasits datu vards, kura adresi norada
steka raditajs un pec tam steka raditaja saturs
palielinas par vienu.
44
Asociativa atmina
Asociativa atmina ir atmina, kura piekluvi datiem
realize, noradot kadu datu lauka saturu, nevis ta
atrašanas vietu vai adresi. Asociativo atminu
sakara ar tas lielo cenu parasti neizmanto ka
patstavigu atminu, bet ta tiek ieklauta
kešatminas sastava.
45
Asociativa atmina

• Tas sastava ietilpst sekojošas dalas
• atminas masivs N vardu glabašanai, katram vardam
  ir m kartas, pie tam dažas no tam var but
  izmantotas papildus informacijas glabašanai
• asociativas ipašibas registrs, kura tiek
  ievietots meklejamas informacijas kods, registra
  kartu skaits k parasti mazaks par atmina
  ievietota varda garumu m
• salidzinašanas shema tiek izmantota visu
  meklejama koda bitu paralelai salidzinašanai ar
  ierakstitas informacijas bitiem un rezultata
  izdošanai

46
Asociativa atmina

• sakrišanas rezultatu registrs, kura katram
  parbaudes rezultatam ir sava karta, vieninieks
  atklata sakrišana, 0 nav sakrišanas
• maskas registrs lauj masket dalu no parbaudamas
  informacijas
• kombinacionala shema izdod salidzinašanas
  rezultatu a0 - mekleta informacija nav atrasta,
  a1 mekleta informacija ir viena atminas šuna,
  a2 mekleta informacija ir vairakas atminas
  šunas.

47
Asociativa atmina

• Ieraksts asociativaja atmina notiek bez konkretas
  adreses uzradišanas pirmaja brivaja atminas šuna.
  Lai atrastu brivu šunu tiek veikta nolasišanas
  operacija, kura nav masketas tikai
  paliginformacijas kartas, kuras norada vai
  informacija ir ierakstita un cik sen tas noticis.
  Par brivu tiek uzskatita ta atminas šuna, kura
  informacija nav ierakstita vai griešanas pie
  atminas nav notikusi viss ilgak.
• Informacijas meklešanai asociativaja atmina var
  tikt izmantoti ari citi sarežgitaki nosacijumi.
  Piemeram, var meklet datus pec maksimalas vai
  minimalas asociativas pazimes vertibas.

48
Kešatmina
Kešatmina domata, lai palielinatu atminas atrumu
lidz atrakas atminas iespejam, un taja paša laika
nodrošinatu lielu atminas ietilpibu ar izmaksam,
kas daudz mazakas par pusvaditaju atminas
izmaksam. Kešatmina satur pamatatminas dalas
kopiju. Kad procesors grib veikt varda nolasišanu
no atminas, tiek parbaudits vai vards neatrodas
kešatmina. Ja tas ir ta vards tiek ievietots
procesora. Ja ne tad pamatatminas bloks, kura ir
vajadzigais vards, tiek ievietots no pamatatminas
kešatmina un tad vajadzigais vards padodas uz
procesoru. Lokalitates princips lauj ceret ka ari
nakošie programmai nepieciešamie vardi bus
ievietotaja bloka.
49
Kešatmina
50
Kešatmina
Apskatisim kešatminas organizacijas strukturu
Kešatmina
Pamatatmina
51
Kešatmina
Pienemsim ka pamatatmina satur 2n adresejamus
vardus un katram bitam vardam ir n kartu adreses
binarais kods. Pamataminu sadalisim blokos, kuru
garums ir K vardi, tatad iegusim M 2n/K blokus.
Kešatmina satur C rindas ar k vardiem katra.
Rindu skaits ir daudz mazaks par bloku skaitu (C
ltlt M). Katru bridi kads daudzums pamatatminas
bloku ievietoti kešatmina. Ta ka bloku skaits ir
lielaks par rindu skaitu, katrai rindai nav
piesaistits noteikts pamatatminas bloks. Tapec
katra rinda satur tagu (birku), kas norada kurš
tieši bloks ir ievietots kešatmina. Tags parasti
satur dalu no pamatatminas adreses.
52
Kešatmina
Kešatminas efektivitates nodrošinašana liela
nozime ir tas lielumam, pamatatminas attelošanas
veidam, informacijas aizvietošanas algoritmiem,
ieraksta metodei, rindu lielumam un kešatminu
skaitam. Kešatminas (KA) lielums. No vienas puses
KA jabut mazai lai nepalielinatos atminas cena,
bet no otras puses pietiekami lielai, lai pieejas
laiks atminai butu tuvs kešatminas pieejas
laikam. Ir ari cita KA izmera motivacija. Jo
lielaka ir KA, jo ta ir sarežgitaka un strada
lenak. Tapec diezgan noteikti var teikt, ka KA ir
kads optimals lielums un tas var mainities gan no
datora pielietojuma, gan procesora ipatnibam.
Izmantoto kešatminu lielums svarstas no 1 lidz
256 KB.
53
Kešatmina
Pamatatminas attelošanas veids. Ta ka KA rindu
skaits ir mazaks par bloku skaitu pamatamina tad
nepieciešams algoritms ka attelot blokus rinda.
Nepieciešams ari veids ka noteikt kads atminas
bloks ievietots KA rinda. Attelošanas funkcija
nosaka KA organizaciju. Tris varianti tiek
pielietoti tieša, asociativa un daleji
asociativa attelošana. Analizejot nosauktos
variantus mes izmantosim piemeru KA satur 64 KB,
bloka lielums 4 baiti, kas nozime, ka KA satur 16
K 214 rindas ar 4 baitiem katra, pamatatmina
satur 16 MB, katrs no baitiem ir tieši
adresejams, izmantojot 24 bitu adreses kopni
(22416M), bloku skaits pamatatmina 4M.
54
Kešatmina
Vienkaršakais attelošanas veids ir tieša
attelošana, kura katrs pamatatminas bloks
attelojas tikai viena iespejama KA rinda.
Attelošanu var izteikt sekojoši i j mod
m, kur i KA rindas numurs, j pamatatminas
bloka numurs, m rindu skaits KA. Attelošanas
funkciju viegli paskaidrot izmantojot adreses
(2.55. att.). No KA pieejas viedokla katra
pamatatminas adrese var tikt uzskatita ka
saturoša tris laukus. Jaunakie v biti nosaka
varda vai baita numuru pamatatminas bloka.
Parejie s biti nosaka pie kura no 2s blokiem
notiek griešanas.
55
(No Transcript)
56
Kešatmina

• Kešatminas logiska ierice interprete šos s bitus
  ka pazimi (tag) no s-r bitiem un rindas lauku no
  r bitiem. Pedejie nosaka vienu no m 2r KA
  rindam. Tatad tiešas attelošanas gadijuma
• adreses garums ir s v biti,
• adresejamas atminas lielums 2s v vardi vai
  baiti,
• bloka lielums vienads ar rindas garumu vienads ar
  2v vardi vai baiti,
• bloku skaits pamatatmina 2s v/2v 2s,
• rindu skaits kešatmina m 2r,
• taga lielums s r biti.

57
Kešatmina
Šadas attelošanas rezultata pamatatminas bloki ir
saistiti ar kešatminas rindam ka paradits tabula
58
Kešatmina
Šadas attelošanas rezultata pamatatminas bloki ir
saistiti ar kešatminas rindam ka paradits tabula
Tas, ka par rindas numuru tiek izmantota dala no
adrese, nodrošina unikalu bloka attelošanu KA.
Kad viens no blokiem ir ievietots tam paredzeta
rinda nepieciešams ar taga palidzibu noradit kurš
tas ir. To nodrošina izmantojot vecakos no s r
bitiem.
59
Kešatmina
Apskatisim, ka attelošana notiks iepriekš dota
skaitliska piemera gadijuma. Tabula 2.7 parada
attelošanas sakaribas, bet 2.56. att. kešatminas
un pamatatminas strukturu pie m 16K 214 un i
j mod 214. No tabulas redzam, ka nav divu
bloku, kas attelotos rinda ar vienu un to pašu
numuru un kam butu vienads tags. Ta blokiem ar
sakuma adresem 000000, 010000, , FF0000 ir tagi
ar numuriem 00, 01, 02, , FF attiecigi.
60
Kešatmina
Tiešas attelošanas sakaribas pie 16 Mb
pamatatminas un 64 KB kešatminas
61
Kešatmina
62
Kešatmina
Atgriežoties pie 2.55. att. apskatisim ka tiek
izpildita nolasišanas operacija (izmantosim
piemera dotos datus). Adreses kopnei ir 24 kartas
no kuram 14 tiek izmantotas ka indekss kešatmina
lai pieklutu pie noteiktas rindas. Ja 8 bitu
pazime sakrit ar KA ievietotas rindas pazimi, tad
2 bitu varda numurs tiek izmantots lai izveletos
vienu no 4 baitiem rinda. Lai nolasitu
nepieciešamo bloku no pamatatminas nesakrišanas
gadijuma tiek izmantota 22 bitu pazimes un rindas
adrese. Ši adrese norada bloka sakuma adresi, bet
atminas šunas fizisko adresi atrod savietojot
(konkatenejot) sakuma adresi ar varda numuru (2
biti).
63
Kešatmina
Tieša attelošana ir vienkarša un pietiekami leti
realizejams veids kešatminas uzbuve. Tas
galvenais trukums ir fikseta attelošanas vieta
katram pamatatminas blokam. Tadel, ja programma
notiks veršanas pec kartas pie blokiem, kuri
attelojas viena rinda, tie bus katru reizi
janomaina un trapijuma varbutiba bus loti
zema. Asociativa attelošana noverš trukumu, kas
ir tiešai attelošanai laujot attelot jebkuru
pamataminas bloku jebkura kešatminas linija.
64
Kešatmina
Šaja gadijuma KA vadibas logika interprete
atminas adresi ka divus laukus pazimes (taga) un
varda laukus. Pazimes lauks viennozimigi nosaka
pamataminas bloku. Lai noteiktu vai kesatmina ir
vajadzigais pamatatminas bloks KA vadibas logikai
nepieciešams izanalizet visu rindu pazimes. Tadai
vadibas logikai vislabak atbilst asociativa
atmina, kura glabajas pazimes (tagi). Šadas
kešatminas darba logika paradita 2.57. att.
Velreiz tikai atgadinasim, ka adrešu dala nav
lauka kas nosaka rindas numuru un tadel rindu
numuri KA nav noteikti ar adreses saturu.
65
Kešatmina
66
Kešatmina

• Asociativo attelošanu raksturo
• adreses garums s v biti,
• adresejamas vienibas 2sv vardi vai baiti,
• bloka izmers vienads ar rindas garumu - 2v vardi
  vai baiti,
• bloku skaits pamatatmina 2s v/2v 2s,
• rindu skaits kešatmina nenoteikts,
• pazime (tags) s biti.

67
Kešatmina
2.58. att. paradita asociativas attelošanas
organizacija, izmantojot piemera pienemtos datus
(pamatatminas lielums 16 MB, KA lielums 64 KB).
Pamatatminas adrese satur 22 pazimes bitus un 2
bitus baita numuram. 22 bitu tagi kopa ar 32 bitu
datu bloku rinda tiek ievietoti kešatmina.
Atzimesim, ka adreses vecakas 22 kartas forme
pazimi. 2.57 att. 22 kartu pazime ir paradita ka
6 kartu heksadecimals kods pie tam vecaka karta
ir tikai divas binaras kartas.
68
Kešatmina
Tapec 24 bitu heksadecimala adresei 16339C ir 22
bitu pazime 058CE7. To viegli paradit binara koda
69
Kešatmina
70
Kešatmina
Asociativa attelošana dod iespeju brivi izveletie
aizvietojamo bloku jauna bloka ievietošanas
gadijuma. Aizvietošanas algoritmiem, kas tiks
apskatiti šaja sadala, janodrošina maksimala
trapišanas varbutiba. Asociativas attelošanas
trukums ir sarežgitas logiskas ierices
pielietošana pazimju vienlaicigai parbaudei visas
kešatminas rindas. Daleji asociativa attelošana
ir kompromiss starp tiešo un pilnigi asociativo
attelošanu, kas samazina to trukumus.
71
Kešatmina
Šaja gadijuma kešatmina tiek dalita ? dalas vai
modulos, katrs no kuriem satur k rindas. Sakariba
starp moduli un bloku tada pati ka pie tiešas
attelošanas moduli ietilpstoša i rinda var
attelot tikai noteiktus pamatatminas blokus
izmantojot sakaribu i j mod ?, kur j
operativas atminas bloka adrese. Taja paša laika
bloku izvietošana modula rindas ir pilnigi briva
un lai atrastu vajadzigo rindu moduli tiek
izmantots asociativais princips
72
Kešatmina
Aizvietošanas algoritmi. Kad jauns bloks tiek
ievietots kešatmina kadu no tur ievietotiem
blokiem nepieciešams aizvietot. Tiešas
attelošanas gadijuma ir tikai viena iespejama
rinda katram blokam un nav izveles iespeju.
Asociativas un daleji asociativas attelošanas KA
nepieciešami aizvietošanas algoritmi, lai
izveletos atbrivojamo rindu. Galvenais uzdevums
pie aizvietošanas ir atstat kešatmina tas rindas
pie kuram gaidama griešanas un aizvietot tas
kuram griešanas varbutiba ir maza. Apskatisim
cetrus galvenos algoritmus.
73
Kešatmina
Visilgak neizmantotas rindas algoritms (LRU -
Least Recently Used) varbut ir visefektivakais.
Šaja gadijuma tiek aizvietots bloks KA, kurš
visilgak nav izmantots. Lai aparatu veida
realizetu šo algoritmu izmanto papildus bitus
laika skaitišanai katrai rindai, kuru pec zinama
laika palielina par vienu. Griežoties pie bloka
ta skaititaju nulle. Tada veida skaititaja
radijumi bus vislielakie rindai kura visilgak nav
tikusi izmantota un ta tiek aizvietota. LRU
algoritmam ir vislielaka trapijumu varbutiba.
74
Kešatmina
Pirmais iekša pirmais ara algoritms (FIFO First
In First Out). Šaja gadijuma tiek aizvietota
rinda kas visilgak atrodas kešatmina. Algoritma
realizacijai var izmantot rindu, kura pazime pec
katras bloka izmantošanas tiek novietota rindas
beigas. Tada veida rindas sakuma atrodas visilgak
neizmantota bloka pazime un šis bloks ari tiek
aizvietots.
75
Kešatmina
Visretak izmantotas rindas aizvietošanas
algoritms (LFU Least Frequently Used).
Kešatmina tiek aizvietota rinda pie kuras bijušas
vismazak griešanas. LFU gadijuma ar katru rindu
tiek saistits skaititajs, kura saturam pievieno
vieninieku izmantojot šo rindu. Aizvietota tiek
rinda kuras skaititajam ir vismazakais radijums.
76
Kešatmina
Brivas izveles algoritms nav saistits ar bloka
izmantošanu. Aizvietota tiek jebkura kešatminas
šuna pec nejaušibas principa. Dotais algoritms
tiek izmantots loti reti. No visiem apskatitajiem
algoritmiem visbiežak tiek izmantots LRU
algoritms gan savas realizacijas vienkaršibas,
gan augsto raksturojumu del. Var teikt ka
algoritms kas skatas uz atpakal labi prognoze
ari izmantošanu nakotne un ir loti tuvs optimalam
algoritmam.
77
Kešatmina
Kešatminas un pamatatminas saskanošanas
algoritmi. Pirms aizvietot bloku kešatmina
japarliecinas vai taja nav veiktas kadas
izmainas. Ja izmainu nav var veikt aizvietošanu,
bet ja ir veikts kaut viena varda vai baita
ieraksts tas nozime ka pamat atminas (PA) saturs
nesakrit ar KA saturu un javeic saskanošana.
Problema vel sarežgitaka, jo daudzas ievades
izvades ierices strada tieši ar pamat atminu
78
Kešatmina
Ja pamatatmina nebus saskanota ar KA, tad var
tikt izvadita nepareiza informacija vai procesors
var izmantot nepareizus datus, jo PA dati ir
izmainiti, bet KA tie vel nav ievietoti. Vel
sarežgitaka situacija ir, ja vienu pamatatminu
izmanto divi procesori ar savam kešatminam tad
izmainot datus viena KA otra tie nebus izmainiti
un veidosies kluda.
79
Kešatmina
Vienkaršaka saskanošanas tehnika tiek saukta par
caurrakstišanu (write through). Izmantojot šo
tehnisko risinajumu visas ierakstišanas
operacijas tiek veiktas pamatatmina un ja
kešatmina ir ievietota izmainama varda kopija tad
ta ari tiek atjaunota. Caurrakstišanas metodei ir
ta priekšrociba, ka atjaunojot rindu KA ta nav
janosuta uz PA, jo abas atminas ir saskanotas.
Tomer metodei ir liels trukums visas KA
priekšrocibas ieraksta gadijuma zud, jo javeršas
pie PA.
80
Kešatmina
Otrs tehniskais saskanošanas risinajums ir
atpakal ieraksts (write back) un tas samazina
ierakstu skaitu. Šaja gadijuma ieraksts tiek
veikts tikai KA un attiecigaja rinda tiek
uzstadits izmainas bits. Ja nepieciešams
aizvietot rindu, tad ieraksts pamatatmina tiek
veikts tikai, ja aizvietošanas bits ir uzstadits.
Metodes trukums ir tads ka, dala pamatatminas ir
kludaina un ievades izvades operacijas ir
atlautas tikai izmantojot kešatminu.
81
Kešatmina
Lai saskanotu vairaku procesoru KA izmanto,
piemeram, adrese noverošanas metodi. Ja viens
kontrolieris veic ierakstu PA šuna, kura ir otra
procesora KA, tad notiek vienlaicigs ieraksts ari
otra procesora KA 1. Kešatminas rindu izmers.
Kad datu vards vai baits tiek ievietots KA kopa
ar to tiek ievietoti ari citi vardi. Palielinot
rindas (bloka) izmeru trapijumu varbutiba sakuma
palielinas.
82
Kešatmina
Šis palielinajums balstas uz lokalitates
principa, kas nosaka ka dati pie ievietota varda
tuvaka nakotne tiks izmantoti. Tomer turpinot
palielinat rindas izmeru trapijumu procents sak
samazinaties. Tas saistits, pirmkart, ar to ka
lielaks rindas izmers samazina rindu skaitu KA un
nepieciešama bieža rindu nomaina. Otrkart, ar to
ka palielinoties rindas izmeram, nakotne
izmantojamais vards atradisies talu no tekoša un
ta izmantošanas varbutiba samazinasies.
83
Kešatmina
Kešatminas ietilpiba. Ari KA lieluma izvele ir
kompromisa risinajums. No vienas puses tai jabut
nelielai, lai netiktu palielinatas datora
izmaksas un lai tas pieejas laiks butu tuvs
registra veida atminai , bet no otras puses
pietiekami lielai lai videjais pieejas laiks KA
un PA butu tuvs pieejas laikam kešatminai. KA
efektivitate ir atkariga ari no risinama
uzdevuma. Realo KA ietilpiba ir no 8 Kbaitiem
lidz 1 Mbaitam.
84
Kešatmina
Vairaku limenu KA. Palielinoties elementu
blivumam radas iespeja izvietot KA procesora
mikroshema ta izveidojas ievietota KA (L1). Tas
priekšrociba nav nepieciešams izmantot kopni
starp procesoru un KA un lidz ar to palielinats
sistemas ražigums. Bez iebuvetas KA izmanto ari
arejo jeb otra limena KA (L2), kas palielina
griešanas atrumu pie operativas atminas. Otra
limena KA nodrošina mazaku griešanas laiku pie
operativas atminas strada ka buferis starp OA
un pirma limena KA.
85
Kešatmina
Savietotas un atseviškas KA. Ja sakotneji
izmantoja kopeju KA datiem un instrukcijam, tad
pedeja laika izmanto atdalitas KA. Šada
arhitektura tiek saukta par Harvardas (Harvard)
pec universitates varda, kura tika izveidots
dators ar atsevišku atminu komandam un datiem.
Atsevišku KA datiem un instrukcijam izmantošana
nodrošina iespeju vienlaicigi nolasit datus un
instrukcijas un palielina datora ražigumu.
86
Arejas atminas ierices
Magnetiskie diski. Magnetisko disku atminas
ierices satur plakanus nemagnetiska satura diskus
(pamatnes), kas parklati ar magnetizejamu
materialu. Pamatni parasti izgatavo no aluminija
vai ta maisijuma ar citiem materialiem. Pedeja
laika no pamatnes izgatavošanai izmanto stiklu,
kas ieverojami uzlabo disku kvalitati. Datu
ierakstam un nolasišanai izmanto ierakstišanas un
nolasišanas galvinas. Ieraksta vai nolasišanas
laika galvinas ir nekustigas, bet disks rote.
87
Arejas atminas ierices
Ierakstišanas mehanisms bazejas uz fakta, ka
elektriska strava ieraksta galvina izsauc
magnetisko lauku un ta rezultata magnetizejas
maza materiala dala zem galvinas. Mainot stravas
virzienu mainisies lauka virziens. Nolasišanas
princips balstas uz fakta ka mainigs magnetiskais
lauks izsauc stravu spole un šaja gadijuma
ierakstam un nolasišanai var izmantot vienu
galvinu.
88
Arejas atminas ierices
Pedeja laika nolasišanu veic ar atsevišku
galvinu, kas sastav no magnetiskas pretestibas
sensora. Laižot stravu caur šo sensoru ta
pretestiba mainas magnetiska lauka ietekme un
lidz ar to sprieguma kritums kede. Šada sensora
izmantošana lauj stradat ar lielaku frekvenci,
kas nodrošina lielaku glabato datu blivumu un
darba atrumu.
89
Arejas atminas ierices
Dati uz magnetiska diska tiek glabati
koncentrisku aplu veida, kurus sauc par celiniem.
90
Arejas atminas ierices
Celina platums vienads ar galvinas platumu, bet
celinu skaits merams tukstošos. Blakus esošie
celini ir atdaliti ar partraukumu magnetiska
materiala, lai noverstu magnetiska lauka
interferenci. Bez tam celini ir iedaliti
sektoros, kuru skaits var sasniegt vairakus
simtus. Sektoru garums visbiežak ir fiksets (512
baiti) un tie ari ir atdaliti. Diskam griežoties
ar nemainigu lenkisko atrumu (šadu sistemu sauc
par CAV constant angular velocity) un fikseta
sektora lieluma,
91
Arejas atminas ierices
Bita ierakstišanas vai nolasišanas laiks bus
mazaks jo tuvak centram atradisimies. Šis laiks
ari ierobežos diska atrdarbibu CAV sistemas.
Attela paradita sektoru izvietojumu priekšrociba
ir vienkaršais datu meklešanas princips galvina
japarvieto uz vajadziga celina un jagaida kamer
disks pagriezisies un savietosies vajadzigais
sektors ar galvinu.
92
Arejas atminas ierices
Lai noverstu lineara sektoru izvietojuma trukumu,
kad ieraksta blivums talak no centra ir zemaks,
modernajos cietajos diskos izmanto vairaku zonu
dalijumu. Šaja gadijuma diska virsma ir iedalita
vairakas zonas (parasti 16). Katras zonas
ietvaros bitu skaits uz celina ir konstants, bet
talakas no centra zonas bitu skaits
palielinas. Katra celina sakumam un katra sektora
sakumam ir jabut iezimetiem. To nodrošina
formatejot disku, kura laika uz diska tiek
ierakstita paliginformacija, kas nav pieejama
izmantotajam un kuru izmanto tikai diska
kontroles aparatura.
93
Arejas atminas ierices
94
Arejas atminas ierices
Viens no diska formatešanas piemeriem paradits
2.60. att. Paraditaja piemera celinš satur 30
sektorus katra no kuriem ir 600 baiti. Katra
sektora ir 512 datu baiti, bet pareja informacija
tiek izmantota vadibai. Virsraksta lauks satur
informaciju ar kuras palidzibu tiek identificets
sektors. Sinhronizacijas baits nosaka lauka
sakumu, bet celina numurs nosaka diska celinu.
Vairaku virsmu diskos nepieciešams ari galvinas
numurs. Lai noverstu kludas izmanto cikliskas
kontroles bitus. Parasti šis kods formejas
saskaitot pec modula 2 visus dota lauka bitus.
Magnetisko disku sistemu tipu raksturojumi
paraditi tabula 2.8.
95
Arejas atminas ierices
Magnetisko disku sistemu raksturojumi
96
Arejas atminas ierices
Magnetiska diska diskdzinis ar fiksetam galvinam
tiek veidots ta, lai katram celinam butu sava
ierakstišanas un nolasišanas galvina (2.61. a)
att.) Visas galvinas piestiprinatas pie vienas
nekustigas sviras, kas parklaj visus celinus.
Diskdzina mehanisms ar kustigu galvinu satur
sviru, kas var parvietoties radiala virziena,
dodot iespeju savietot galvinu ar vajadzigo
celinu (2.61. b) att.).
97
Arejas atminas ierices
98
Arejas atminas ierices
Neparvietojami diski ir fikseti diskdzina
mehanisma, bet parvietojamos var iznemt un
ievietot cita datora diskdzina mehanisma. Lielaka
disku dala ir parklati ar magnetisko materialu no
abam pusem un veido divpusejus diskus
(double-sided). Vienpuseji diski musdienas tiek
izmantoti reti. Uz diskdzina ass var but
uzstadits viens (2.62. a) att.) vai vairaki diski
(2.62. b) att.) ta palielinot arejas atminas
apjomu. Katra diska pusei šaja gadijuma ir vismaz
viena galvina.
99
Arejas atminas ierices
100
Arejas atminas ierices
Lai palielinatu ieraksta blivumu uz diska
galvinai jabut maksimali tuvu celinam uz diska.
Tomer ja galvinai ir tiešs kontakts ar diska
virsmu ka tas ir lokano disku sistemas (floppy
disk), ir liela kludas varbutiba no netirumiem un
virsmas defektiem. Lai izslegtu šadas kludas
datoru cietajos diskos galvinai nav tieša
kontakta ar diska virsmu un tas kopa ar diskiem
ievietotas hermetiska korpusa. Liela nozime šis
problemas risinajuma bija cieto disku iericu
vincesteru izveidei.
101
Arejas atminas ierices
Šaja sistema galvinai ir loti mazs svars. Diskam
atrodoties nekustiga stavokli, galvina ir
kontakta ar disku, bet tam sakot kustibu
aerodinamiskais spiediens pacel galvinu. Pie tam
galvina visu laiku atrodas maksimali tuvu diska
virsmai, bet tai nepieskaras. Vincesteru
cietajiem diskiem ir daudz lielaks ieraksta
blivums ka parastajiem cietajiem diskiem.
102
Arejas atminas ierices
Magnetiskie diski ar redundanci (uzviju). Ta ka
magnetiskie diski ir viena no datora svarigakam
komponentem, to ietilpibas un datu drošibas
uzlabošanai arvien ir pieversta pastiprinata
uzmaniba. Viens no svarigakajiem priekšlikumiem
bija Berklijas Universitates zinatnieku
piedavajums izmantot vairakus neatkarigus (vai
letus) diskus ar redundanci vai RAID Redundant
Array of Independent (or Inexpensive) Disks.
103
Arejas atminas ierices
RAID koncepcijas pamats ir pareja no viena
fiziska magnetiska diska ar lielu ietilpibu uz
daudziem letiem, neatkarigi un paraleli
stradajošiem diskiem, kurus operacionala sistema
uzskata par vienu lielu logiska diska atminas
ierici. Tas lauj palielinat disku atminas
ražigumu veicot paralelu datu ierakstu un
lasišanu no vairakiem diskiem. Datu drošiba
palielinas, ja tiek izmantoti kludu korigejoši
kodi (datu redundance).
104
Arejas atminas ierices

• Pašreiz izmanto septinus RAID limenus no RAID 0
  lidz RAID 6. Lai ari katram no tiem ir savas
  priekšrocibas un trukumi, kopuma visiem limeniem
  ir sekojošas kopejas ipašibas
• RAID ir fizisku disku kopums, kurus operacionala
  sistema uzskata par vienu logisko disku,
• Dati tiek izvietoti pa dažadiem fiziskiem
  diskiem,
• Disku ietilpibas redundance tiek izmantota
  papildinformacijas glabašanai, kas garante datu
  atjaunošanu kludas gadijuma.

105
Arejas atminas ierices
Disku sistemas ražigumu var palielinat izmantojot
sadališanas (striping) metodi. Tas butiba ir
sekojoša dati un diska telpa tiek sadaliti
segmentos vai ta saucamas joslas (stripos).
Stripi tiek izvietoti pa dažadiem diskiem
izmantojot noteiktu sistemu. Tas nodrošina
paralelu stripu ierakstišanu vai nolasišanu, ja
tie izvietoti dažados diskos. Ideala gadijuma
disku sistemas ražigums var but palielinats tik
reižu cik diski tiek izmantoti. Stripa lielums ir
atkarigs no RAID limena un var but vienads ar
bitu, baitu, sektora (512 baiti) vai celina
lielumu
106
Arejas atminas ierices
Visbiežak logiski sekojoši stripi tiek izvietoti
uz disku virknes. Ta n disku sistema n pirmie
logiskie stripi tiek izvietoti ka pirmie stripi
uz diskiem, nakošie n strpi ka otrie utt.
Logisko stripu virkni, kas vienadi novietota uz
katra no diskiem sauc par lenti (straipu).
Parasti minimalais informacijas daudzums, kas
tiek ierakstits vai nolasits no magnetiska diska
vienads ar sektora lielumu. Ja stripa garums RAID
ir mazaks tad tiek pielietota sarežgitaka vadibas
sistema.
107
Arejas atminas ierices
Disku sistemas drošibas nodrošinašanai RAID
koncepcija izmanto datu dublešanu un kludu
korigejoša koda izmantošanu (Heminga koda vai
paritates bitu). Pirmais variants nodrošina
drošibas palielinajumu ja dati tiek novietoti uz
dažadiem fiziskiem diskiem. Šaja gadijuma viena
diska bojajumu nenoved pie informacijas
pazaudešanas. Parasti tiek veidoti divi vienadi
diski ar vienadu datu izvietojumu. Ši iemesla
del metodi dažkart sauc par spogulmetodi
(mirroring). Metode prasa divkaršotu disku
daudzumu.
108
Arejas atminas ierices
Heminga koda izmantošana. Ši metode nodrošina
korektejošas informacijas atrašanu katri stripu
grupai, kas vienadi novietota uz visiem diskiem -
straipa. Korektejošie biti glabajas uz specialiem
papilddiskiem (viens disks katram bitam). Ta
piemeram desmit magnetisku disku sistemai
nepieciešami cetri papilddiski un redundance ir
tuvu 30.
109
Arejas atminas ierices
Izmantojot paritates bitu Heminga koda vieta
nepieciešams tikai viens papilddisks, jo vienam
straipam formejas tikai viens kontroles strips no
paritates bitiem. Ja tiek bojats kads no disku
masiva diskiem, izmantojot paritates bitus un
parejo disku datus var atjaunot bojata diska
datus. Apskatisim ka tas notiek 5 disku atminas
ierice. Diski D0, D1, D2 un D3 glaba datus, bet
D4 - paritates bitus. Paritate i-ajam bitam tiek
aprekinata sekojoši D4i D3i ? D2i ? D1i ? D0i.
110
Arejas atminas ierices
Pienemsim ka disks D1 ir bojats. Tad pieskaitot
D4i ? D1i abam pusem iepriekšejam vienadojumam,
iegusim D1i D4i ? D3i ? D2i ?
D0i. Tada veida katras datu joslas saturs uz
jebkura diska var but atjaunots izmantojot citu
disku joslu datus un paritates diska informaciju.
Redundance šaja gadijuma videji ir 20.
111
Arejas atminas ierices
Optiska atmina. 1983. gada tika demonstreta pirma
audiosistema uz kompaktdisku (CD - compact disk)
bazes. CD ir disks kura informacijas glabašanai
izmanto vienu pusi un kura var saglabat vairak ka
60 minušu audioinformaciju. Šo disku milzigie
komercialie panakumi ieverojami ietekmeja letu
optisko atminas iericu izveidošanu datoriem. Ir
izveidotas daudz optisko disku sistemas (tabula
2.9). Apskatisim tas.
112
Arejas atminas ierices
113
Arejas atminas ierices
CD-ROM. Audio CD un CD-ROM izmanto vienu
tehnologiju. Disks tiek izgatavots no plastmasas,
piemeram, polikarbonata. Ierakstama diskreta
informacija tiek parveidota mikroskopisko
izcilnu virkne uz polikarbonata virsmas. To
izdara izveidojot šablona disku ar augstas
intensivitates fokuseta lazera stara palidzibu.
Ar šablona palidzibu tiek izveidoti nospiedumi
izgatavojama diska. Polikarbonata izveidoto
virsmu parklaj ar augstas atstarošanas materialu,
parasti aluminiju vai zeltu. Pec tam atstarojošo
virsmu parklaj ar caurspidigu laku, lai to
aizsargatu pret nobrazumiem.
114
Arejas atminas ierices
Informacija no diska tiek nolasita ar mazas
jaudas lazera ierices palidzibu, kas ievietota
atskanotaja. Lazers apstaro rotejoša diska virsmu
un atstarojas no gaismu atstarojoša slana.
Atstarota signala intensivitate izmainas, kad
lazera stars noklust uz izcilna. Izcilni var
salidzinat ar nelidzenu virsmu, kas izkliede
staru un tapec atstarota signala intensivitate
samazinas. Starp izcilniem atrodas ieplakas, kas
ir salidzinoši lidzenas un tadel atstaro kritošo
lazera staru. Atstaroto signalu fikse ar gaismas
jutigu elementu un parveido elektriska signala.
115
Arejas atminas ierices
Vienkaršakajas CAV sistemas izmanto koncentrisku
celinus ar vienadu bitu skaitu uz celina. Šis
sistemas nav optimalas, jo nenodrošina maksimalo
atrumu uz diska arejiem celiniem. Lai iegutu
augstaku ietilpibu CD un CD-ROM disku sistemas
neizmanto koncentriskus celinus. Ta vieta uz
diska ir viens spirales veida celinš, kas sakas
tuvu diska centram un beidzas ta areja mala. Tiek
izmantoti vienada garuma sektori, kuru nolasišana
tiek veikta ar vienadu linearo atrumu (CLV
Constant Linear Velocity) diskam griežoties ar
dažadu lenkisko atrumu.
116
Arejas atminas ierices
Kopejais celina garums ir 5,27 km un diska
linearais griešanas atrums 1,2 m/s, kas dod
atskanošanas laiku 73,2 min. Dati uz CD-ROM tiek
izvietota ka bloku virkne.
117
Arejas atminas ierices

• Paskaidrosim bloka ietilpstošos laukus
• Sinhronizacija. Šis lauks identifice bloka sakumu
  un satur nulles baitu, desmit baitus ar
  vieniniekiem un vienu nulles baitu
• Identifikators. Virsraksts satur adreses bloku un
  režima baitu. Ir tris režimi 0 datu lauks ir
  tukšs, 1 2048 baitu dati un korekcijas kods, 2
  2336 datu baiti bez korekcijas koda
• Dati. Šaja lauka tiek ievietoti izmantotaja dati
• Korekcijas kods (KK). 2. režima šaja lauka tiek
  ievietoti izmantotaja dati, bet pirmaja režima
  kludu labojoša koda 288 baiti.

118
Arejas atminas ierices
Informacijas izvietojumu uz CD-ROM. Ka jau
minejam dati tiek izvietoti virkne uz spiralveida
celina. Izmantojot CLV briva pieeja informacijai
ir daudz grutaka un prasa laiku lielaku par 0.5 s.
119
Arejas atminas ierices
CD-R. Optiskie diski ar vienreizeju ierakstu un
daudzkarteju nolasišanu. Šaja gadijuma
izmantotajs ar nedaudz sarežgitakas disku
iekartas palidzibu, kas apgadata ar videjas
jaudas lazeru, var vienreiz ierakstit informaciju
un daudzkart nolasit. Izgatavojot disku uz ta
atstarojošas virsmas ar speciga lazera palidzibu
tiek izveidoti mikroskopiski burbuliši.
Ierakstošas ierices nelielas jaudas lazera stara
ietekme burbuli tiek izkauseti. Nolasot
informaciju vietas ar uzspridzinatiem burbuliem
atškiras no apkarteja fona atstarošanas un dod
iespeju iegut diska ierakstito informaciju.
120
Arejas atminas ierices
CD-RW. Šados diskos informaciju var ierakstit un
parrakstit. Diskos izmanto atstarojošo slani ar
diviem fazu stavokliem. Katra no šiem stavokliem
mainas atstarošanas koeficients amorfa stavokli
molekulas ir brivi orientetas un atstarošana ir
izkliedeta, orienteta stavokli molekulas ir
vienadi orientetas un atstarošanas koeficients
palielinas. Lazera stara ietekme ar magnetiska
lauka palidzibu var mainit materiala stavokli. Ta
ka fiziski disks netiek izmainits iespejams veikt
lidz 1 miljonam parierakstišanu.
121
Arejas atminas ierices
DVD. Diski aizvieto lentes video kasešu
magnetafonos un CD-ROM diskus datoros. Šo disku
galvena atškiriba ir lielaka ietilpiba, kas
sasniegta samazinot attalumu starp ieraksta
punktiem lidz 0,4 ?m un celiniem lidz 0,74 ?m.
Tas bija iespejams samazinot lazera vilnu garumu
un izgatavojot precizakas optiskas diska ierices.
Šo uzlabojumu rezultata diska ietilpiba tika
palielinata lidz 4.7 Gbaitiem. Izmantojot divus
atstarojošus slanus katra diska puse var sasniegt
ietilpibu lidz 17 Gbaitiem.
122
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Skaitlošanas procesa konveijerizacija. Datoru
elementu bazes uzlabošana vairs nedod iespejas
radikali uzlabot ta atrdarbibu un ražigumu. Tadel
tiek veidoti dažadi arhitekturas uzlabojumi.
Viens no tadiem risinajumiem ir procesora darba
konveijerizacija. Komandas ciklam ir vairaki
posmi un katram no tiem var but vairakas taktis.
Tas dod pamatu veikt instrukcijas izpildi
vairakos neatkarigos posmos paraleli. Lai
ražigums pieaugtu, nepieciešams lai katrs no
posmiem aiznemtu apmeram vienadu laiku.
123
Procesoru arhitekturas ipatnibas

• Sakotneji procesoros izmantoja divu komandas
  cikla dalu konveijerizaciju
• komandas nolasišanas un rindas formešanas dala,
• komandas izpildes dala.
• Tomer šads dalijums nav vienlidzigs, jo komandas
  izpilde parasti aiznem vairak laika.

124
Procesoru arhitekturas ipatnibas

• Tadel tika veikts sikaks instrukcijas dalijums,
  piemeram
• Instrukcijas nolasišana (IN),
• Instrukcijas dekodešana (ID),
• Operandu adrešu aprekins (OA),
• Operandu nolasišana (ON),
• Darbibas ar operaniem izpilde (DI),
• Rezultata ieraksts atmina (IA).

125
Procesoru arhitekturas ipatnibas

• Tadel tika veikts sikaks instrukcijas dalijums,
  piemeram
• Instrukcijas nolasišana (IN),
• Instrukcijas dekodešana (ID),
• Operandu adrešu aprekins (OA),
• Operandu nolasišana (ON),
• Darbibas ar operaniem izpilde (DI),
• Rezultata ieraksts atmina (IA).
• Pienemot, ka katram no šiem posmiem ir aptuveni
  vienads izpildes laiks, pielietojot šadu 6 dalu
  konveijeri 9 instrukciju izpildes laiks samazinas
  no 54 taktim lidz 14.

126
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Instrukcijas konveijerizetas izpildes laika
diagramma
127
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Paraditajas laika diagrammas visas instrukcijas
iziet 6 posmiem. Tas protams vienmer ta nav.
Piemeram, ieraksts akumulatora neprasa rezultata
ierakstu atmina (IA). Bez tam diagrammas
pienemts, ka visi posmi tiek izpilditi paraleli
un atminas konfliktu nav. Piemeram, IN, ON un IA
posmos notiek griešanas pie atminas. Diagrammas
pienemts, ka šis griešanas pie atminas var notikt
vienlaicigi. Lielakais atminas iericu skaits to
neatlauj. Tomer pienemot, ka vajadziga
informacija ir kešatmina un to, ka ne visas
instrukcijas ir posmi IN, ON un IA, atminas
konflikta del procesora ražigums pie
konveijerizacijas jutami nesamazinas.
128
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Procesora darba konveijerizacijas ražigums
samazinas, ja visi posmi neaiznem vienadu laiku
un nepieciešams gaidit kamer tiks izpildits
iepriekšejas posms. Bet viss jutamak ražigumu
samazina zarošanas komandas, kas izjauc visu
secibu. 2.66. att. parada zarošanas komandas
ietekmi, ja pie iepriekšeja piemera nosacijumiem
3. instrukcija ir parejas instrukcija uz 15.
instrukciju.
129
Procesoru arhitekturas ipatnibas
2.65.att. Zarošanas instrukcijas ietekme uz
konveijerizetukomandas izpildi.
130
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Vel viena svariga problema instrukcijas izpildes
konveijerizacijas procesa ir tada, ka izpildes
procesa var but nepieciešami dati, kas vel nav
aprekinati, jo iepriekšejas instrukcijas nav
izpilditas. Vadibas sistemai jaievero šada
konflikta iespejamiba. Ko mes varam secinat? No
vienas puses redzams, ka palielinot konveijera
ietilpstošas dalas palielinas procesora ražigums.
Paradisim to ar aprekiniem.
131
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Pienemsim, ka tiek izpilditas n instrukcijas bez
zarošanas. Kopejais izpildes laiks Tk ir vienads
Tk k (n - 1) ? kur k posmu skaits
konveijera, ? ?m d viena posma izpildes
laiks, ?m visilgaka posma izpildes laiks, d
laika aizture nododot datus no viena konveijera
posma uz otru. Piemeram, izpildot 9 instrukcijas
ar 6 posmu konveijeru izpildes laiks bus 6 8
? 14 ? (2.55. att.). Paatrinajuma faktors
konveijerizacijas gadijuma Sk bus vienads Sk
T1/Tk nk?/k (n - 1). ? nk/k (n - 1).
132
Procesoru arhitekturas ipatnibas
No formulas redzam, ka ja n tiecas uz ?, Sk
tiecas uz k. Tatad jo lielaks posmu skaits, jo
lielaks procesora atruma palielinajums. Tomer
iepriekš minetie atminas konflikti, zarošanas
instrukcijas un laiks kas nepieciešams lai veiktu
datu padevi no viena konveijera posma uz otru,
var samazinat ražiguma pieaugumu un attiecigi
palielinat procesora sarežgitibu un izmaksas.
133
Procesoru arhitekturas ipatnibas

• Protams visvairak konveijerizacijas procesa
  efektivitati ietekme zarošanas instrukcijas ar
  nosacijumu, jo pirms instrukcijas izpildes nevar
  noteikt vai bus zarošanas vai ne. Lai samazinatu
  zarošanas instrukciju ietekmi izmanto sekojošas
  metodes
• vairaku plusmu metodi,
• buferizacijas metodi,
• zarojumu paredzešanas metodi,
• aiztureta zarojuma metodi.

134
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Vairaku plusmu metode. Konveijera sakuma posmam
ir vairakas paralelas plusmas, piemeram, divas.
Viena tiek ievietotas izpildamas instrukcijas ja
parejas nosacijumi neizpildas, otra ja
izpildas. Abas plusmas apvienojas tur kur parejas
nosacijumi ir noteikti. Ši metode ir loti
efektiva, ja lidz nosacijumu noteikšanai nepienak
jauna zarošanas instrukcija.
135
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Buferizacijas metode. Lidziga vairaku plusmu
metodei. Šaja gadijuma veido instrukciju plusmas
starp nolasišanas un izpildes posmiem. Katram no
zarošanas nosacijumiem veidojas sava instrukciju
rinda. Pec nosacijuma noteikšanas tiek izmantota
rinda no vajadziga bufera, bet parejie nullejas.
136
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Zarošanas paredzešanas metodes. Viens no
efektivakiem veidiem ka noverst konveijera
ražiguma samazinašanos zarojuma komandu ietekme.
Visizplatitakas ir sekojošas paredzešanas
metodes -   pareja notiek vienmer, -   pareja
nenotiek nekad, -   pareja pec operacijas
koda, -   ir/nav pareja sledzis, -   pareju
vestures tabula.
137
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Pirmas tris ir metodes ir statiskas paredzešanas
metodes. Tas nav atkarigas no instrukciju
izpildes vestures lidz parejas instrukcijas
izpildes laikam. Pedejas divas metodes ir
dinamiskas un ir atkarigas no iepriekšejas
izpildes vestures.
138
Procesoru arhitekturas ipatnibas
Pirmas divas pienemumu metodes ir
visvienkaršakas. Tajas tiek pienemts ka vienmer
notiks pareja vai vienmer ta nenotiks