William Stallings Computer Organization and Architecture 9 th Edition

Transkript

1 William Stallings Computer Organization and Architecture 9 th Edition

2 Bölüm 5 İç Hafıza

3 Bir Hafıza Hücresinin Çalışması Bütün hafıza hücrelerinin ortak özellikleri vardır: 0 ve 1 durumundan birini gösterirler En az 1 defa yazılabilirler Tuttukları durum okunabilir

4 Yarıiletken Hafıza Tipleri Table 5.1 Semiconductor Memory Types

5 Dinamik RAM (DRAM) RAM teknolojisi ikiye ayrılmıştır Dinamik RAM (DRAM) Staatik RAM (SRAM) DRAM Veriyi kapasitörler üzerinde şarj şekliyle tutan hücrelere sahiptir. Kapasitör üzerinde şarjın varlığı ya da yokluğu ikili 1 ya da 0 olarak yorumlanır. Veri saklama işleminin devam edebilmesi için periyodik yenileme gerekir. Dinamik terimi, sürekli olarak güç uygulansa bile bir süre sonra içerisindeki şarjın zayıflaması anlamındadır.

6 Dinamik RAM Yapısı Figure 5.2a Tipik Hafıza Hücresi Yapısı Transistör anahtar görevi görür. Adres hattına voltaj vermek transistörü aktif hale getirir. Yazma: Bit hattına bir voltaj uygulanır. Yüksek voltaj 1, düşük voltaj 0 demektir. Adres hattına voltaj uygulanır, böylece bit hattındaki voltaj Kapasitöre transfer edilir. Okuma: Adres hattı aktifken, kapasitör içerisindeki voltaj bit hattını ve bir algı yükselticiyi (sense amplifier) besler. Algı yükseltici, Kapasitörün değerini bir referans değer ile kıyaslar ve Mantıksal 1 ya da mantıksal 0 olduğuna karar verir. Mantıksal değer tutmasına rağmen DRAM analog bir cihazdır.

7 Statik RAM (SRAM) SRAM dijital bir cihazdır ve bir işlemcide kullanılan mantıksal elemanları kullanır. İkili değerler flip-flop mantık kapıları kullanılarak tutulur. Kendisine güç uygulandığı sürece veriyi saklayabilir.

8 Statik RAM Yapısı Figure 5.2b Tipik Hafıza Hücresi Yapısı C1 yüksek voltaj, C2 düşük voltaj durumunda mantıksal 1 C1 düşük voltaj, C2 yüksek voltaj durumunda mantıksal 0 Yazma: Yazılacak değer B hattına, tersi diğer hatta uygulanır. Okuma işlemi B hattından yapılır.

9 SRAM versus DRAM İkisi de geçici Veri korunmak isteniyorsa sürekli olarak güç uygulanmalı Dinamik hücre Yapması basit, daha az yer kaplar Daha yoğun (küçük hücre=birim alanda daha fazla veri) Daha az pahalı Yenileme devresi gerekir Geniş hafıza ihtiyacı için uygundur Ana hafıza olarak kullanılır Statik Daha hızlı Cache hafıza olarak kullanılır (CPU ana devresi üzerinde veya dışında) SRAM DRAM

10 Read Only Memory (ROM) Değiştirilemeyen veya yenisi eklenemeyen kalıcı bir veri örüntüsünü tutar Önemli bir uygulama alanı mikro programlamadır. Sık kullanılan kütüphane fonksiyonları saklanabilir. Sistem programları saklanabilir. Sürekli olarak güç uygulanmasına gerek yoktur Harici bir cihazdan veri veya programın yüklenmesine gerek kalmaz. Veri, üretim sürecinin bir parçası olarak hafızaya yüklenir Dezavantajları Hatanın bölgesi yoktur. Bir bit bile hatalı olsa bütün hafıza işe yaramaz hale gelir. Veri yazma süreci, göreli olarak yüksek maliyetli cihazlar gerektirir.

11 Programlanabilir ROM (PROM) Daha ucuz bir alternatiftir. Verileri kalıcı olarak tutar. Yazma işlemi üretim sürecinden daha sonra yapılabilir ve elektriksel olarak gerçekleştirilir. Yazma işlemi için özel ekipmana ihtiyaç duyar Esneklik sağlar

12 Read-Mostly Memory (Yazıldığından çok daha fazla okunan Hafıza) EPROM: Erasable Programmable Read-Only Memory UV Silme işleminde bütün veri silinir. 20 dk kadar sürebilir EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory Yalnızca 1 byte veya birkaç byte silinebilir. Silme işlemi okuma işleminden daha yavaştır. Byte başına birkaç yüz mikrosaniye. Okuma işleminin yazma işleminden çok daha fazla gerçekleştirildiği ve verileri kalıcı olarak tutabilen hafızalara gereksinim duyulduğunda kullanılabilir.

13 Hata Düzeltme Hard Hatalar Kalıcı fiziksel hasarlardır. Hafıza hücresi, mantıksal 0 ya da 1 değerini stabil olarak tutamaz. Neden olan şeyler: Hor kullanım Üretim hataları Eskime Soft Hatalar Rasgele gerçekleşen, kalıcı olmayan ve bir ya da birkaç hafıza hücresinin içeriğini değiştiren hatalardır. Hafızanın kendisine kalıcı olarak hasar vermez Neden olan şeyler: Güç kaynağı problemleri Alfa parçacıkları

14 Hata Düzeltme Kod Fonksiyonu Veri, hafızaya yazılacağı zaman f fonksiyonu ile bir kod üretilir. Veri ve kod, hafızada birlikte tutulur. Veri okunacağı zaman f fonksiyonu ile yine kod üretilir ve kayıtlı olan kodla karşılaştırılır. Hata varsa, kodlar ve veri Düzelticiye gönderilir. Düzelteme mümkün değilse bu durum rapor edilir. Bu kapsamda kullanılan kodlara hata düzeltme kodları denir.

15 Farklı DRAM lerin Performans Karşılaştırması Table 5.3

16 İleri DRAM Organizasyonu DDR-DRAM Yüksek performanslı işlemcilerin kullanıldığı sistemlerdeki en önemli darboğaz, ana hafıza ile olan arayüzdür. Geleneksel DRAM çipi, kendi iç mimarisi ve hat arayüzü ile kısıtlıdır. Birçok DRAM çeşidi geliştirilmiştir. RDRAM

17 Senkron DRAM (SDRAM) Geleneksel DRAM asenkron çalışır. İşlemci, adres ve kontrol sinyallerini hafızaya gönderir. Belirli bir süre erişim gecikmesinden sonra veri okunur-yazılır. Bu erişim gecikmesi, DRAM in kendi içerisinde çeşitli işlevleri yerine getirmesinden kaynaklanır. Bu sürede işlemci beklemededir. Bu da sistemin genel performansını düşürür. SDRAM işlemci ile senkron olarak çalışır. Bu da beklemeyi ortadan kaldırır. SDRAM de, işlemci komut ve adresi hafızaya gönderir. Hafıza, belirli bir sayıdaki saat çevriminden sonra cevap verir.

18 SDRAM Okuma Zamanlaması

19 Rambus DRAM (RDRAM) 480 ns erişim gecikmesi 1.6 Gbps hız RDRAM, açıkça kontrol sinyalleri almak yerine bir hafıza erişim isteği kabul eder. İstek içerisinde adres, işlem tipi ve byte sayısı yer alır.

20 RDRAM Structure

21 Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM) SDRAM, hattın bir zaman çevriminde yalnızca bir veri gönderebilir. Double-data-rate SDRAM, herbir saat darbesinde iki kez veri gönderebilir. Biri yükselen kenarda, diğeri düşen kenarda. JEDEC Solid State Technology Association tarafından geliştirilmiştir.

22 DDR SDRAM Read Timing

23 Cache DRAM (CDRAM) Mitsubishi tarafından geliştirilmiştir. Genel bir DRAM çipi üzerinde küçük bir SRAM cache barındıdır. CDRAM üzerindeki SRAM iki şekilde kullanılır: Üzerinde 64 bitlik line lar bulunan bir gerçek cache gibi Cache modu, sıradan rasgele erişimler için uygundur Belirli bir veri bloğuna ardışık olarak yapılan erişimlerde tampon olarak.

24 Özet İç Hafıza Bölüm 5 Yarıiletken ana hafıza Organizasyonu DRAM ve SRAM ROM tipleri Hata düzeltme Hard hatalar Soft hatalar İleri DRAM organizasyonu Senkron DRAM Rambus DRAM DDR SDRAM Cache DRAM