Memoria Cache și Algoritmi de Înlocuire

Formate logice de memorie DRAM

• SDRAM: funcționează sincron cu uP, arhitectură superscalar.
• EDRAM: rată mare de umplere a memoriei cache, multitasking.
• CDRAM: cache pe fiecare cip.
• MDRAM: date stocate în mai multe bancuri de memorie separate.
• RDRAM: magistrale rapide, cache de RAM static, citire rapidă.
• DDR SDRAM: transferă date pe ambele fronturi de ceas.
• DDR2 SDRAM: dublează viteza magistralei comparativ cu DDR SDRAM, la jumătate din frecvenţa ceasului.
• DDR3 SDRAM: lucru cu magistrala de 4 ori mai mare, consum scăzut de energie, s-a crescut lărgimea de bandă, senzor de temperatură, pin de reset și tehnologie FlyBy în locul tehnologiei de tip stea.
• DDR4 SDRAM: consum scăzut de energie.
• XDR RAM: succesor al RDRAM.
• PDRAM: integrată pe acelaşi chip cu uP.

Formate logice RAM SRAM

• IT-SRAM: capacitate mare, suprafaţă mică, consum redus de energie.
• IT-SRAM_M, IT-SRAM-R, IT-SRAM-Q.
• ODR2 SRAM: citire/scriere simultană.

Formate fizice de memorie

• DIP (Dual In-line Package): clasic, se rup pinii.
• SOJ (Small Outline J-lead): mai modern, terminale în formă de J.
• TSOP (Thin Small Outline Package): dimensiune redusă, pentru laptopuri,.
• BGA (Ball Grid Array): biluțe de cositor pentru conductivitate termică crescută, dimensiuni mari.
• SIMM (Single Inline Memory Module) : un rând de pini, single-sided sau double-sided.
• SODIMM (Small Outline Dual In-line Memory Module): de 2 ori mai mic ca SIMM.
• SIPP (Small Inline Pin Package): un SIMM cu pini ascuțiți.
• DIMM (Dual Inline Memory Module): capacităţi mari, 2 rânduri de pini.
• RIMM (Rambus Inline Memory Module): similar DIMM, are radiatoare pe ambele părți, folosit pentru memorie Rambus.

Metode acces la memorie

• Paginare: permite o citire mai rapidă conferind o adresă de pagină accesibilă pentru datele solicitate, diminuând riscul de refresh continuu și implicit necesarul de stări de aşteptare, wait states.
• Întrețesere: procesorul lucrează paralel cu accesul la două bancuri de memorie. Dezavantaj: lipseşte timpul de refresh între două accesuri consecutive, crescând numărul de stări de aşteptare.

Memoria Cache

• Internă/primară: plasată în capsula uP, foarte rapidă datorită plasării aproape.
• Externă/secundară: mai mare decât cea internă (SRAM), mai lentă la acces, dar cu o capacitate mai mare.
• Tip static (SRAM): rapide, cu timp de acces mic (ta = 100/fp; fp = frecvența procesorului).
• Proxime de procesor, între CPU și memoria principală (RAM).
• Organizare pe principiul localizării:
  • Spațială: pagini vecine.
  • Temporală: conținutul solicitat anterior.

Mapare cache

• Directă: C = A mod L (A=adresă memoria principală, L=număr linii cache, C=număr linie mem cache).
• Asociativă
• Pe seturi: L = 1 x J, K = A mod I.
• Pseudo-asociativă.

Eficiență și localizare date cache

• Localizare spațială: datele necesare în apropiere sunt situate în apropiere.
• Localizare temporală:datele solicitate anterior vor fi necesare şi ulterior.
• Măsurată în procent de accesare: H =1 − M; T = (TH * H + TM * M) (unde H=rată de acces, M=rată de eșec, TH = timp acces cache, TM = timp acces mem).

Reînnoire date cache

• RW (Random Write): datele sunt rescrise aleatoriu, fără o regulă.
• FIFO (First In – First Out): datele sunt rescrise în ordinea în care au fost introduse.
• LRU (Least Recently Used): datele sunt rescrise în funcție de când au fost utilizate ultimele.
• LFU (Least Frequently Used): datele sunt rescrise în funcție de câte ori au fost utilizate ultimele.

Conectarea cache la uP

• Lock through: arie, cu întârzieri la magistrală ca urmare a lucrului prin intermediul cache.
• Lock aside: paralelă, cu o magistrală de memorie activă continuu.

Depunerea în memorie a rezulatelor

• Write Through: datele sunt scrise mai întâi în memoria cache internă, apoi externă si în final in RAM.
• Write Back: datele sunt scrise în cache dacă se află deja acolo, altfel sunt scrise în memorie direct.
• Posted Write: crează un buffer în cache unde se aşteaptă datele să fie scrise-în memorie.

Ratări cache

• Obligatorii: pierderi provocate de prima referință la date.
• De capacitate: se referă la asociativitatea și mărimea bloc, provocate de lipsa spatiului cache pentru retinerea datelor.
• De conflict: pierderi care pot fi evitate dacă cache-ul ar elimina o intrare mai târziu.

Performanțe datorate caracteristicilor tehnologice

• Bipolară: viteză ridicată, consum ridicat de energie, densitate de integrare scăzută.
• MOS: densitate ridicată, viteză scăzută, consum redus de energie.
• CMOS: consum scăzut de energie, în specială.

Sisteme software ROM

• Sistemul cu program starter sau ROM-ul de start: conține microcodul care urmărește pornirea sistemului
• ROM-BIOS (Basic Input Output System): suportă funcții necesare funcționarii calculatorului.
• ROM-Basic: include un limbaj BASIC.
• Extensii ROM: includ rutine pentru diverse dispozitive atașate.

Memorie nevolatilă

• ROM (Read-Only Memory): Nu este reescriabilă, conţine instrucţiunile necesare pentru pornire.
• PROM (Programmable ROM): Gravaibilă o singură dată.
• EPROM (Erasable PROM): Gravaibilă și ştergabilă prin radiații UV.
• EEPROM (Electrically EPROM): reprogramăbil direct.
• Memorie flash: Tip special de EEPROM, mai reprogramăibilă şi mai ieftină.

FPGA (Field-Programmable Gate Arrays)

• Circuit de memorie nevolatilă.
• Logică programabilă, cu dicţionare LUT (Look-Up Tables) și interconexiuni configurabile.
• Timp scurt de proiectare.

Organizarea dispozitivelor I/O la calculatoare mari

• Magistrala memoriei (MM).
• Magistrala datelor (MD).
• Magistrala Intrare/Ieșire (MI/O).
• Controler terminale (CT).
• Terminal (T).
• Imprimantă (Impr.).
• Unități de disc (D).

Organizarea dispozitivelor I/O la microcalculatoare

• Unitate centrală (UC).
• Memorie (M).
• Monitor (MON.).
• Tastatură (KBD).
• Unitate disc magnetic/optic (UDM/O).

Conectarea perifericelor la sisteme

• Circuite electronice de control (controler): interfaţa calculator → periferic, guvernat de driver.
• Echipamente periferice (ex: disc, tastatură, mouse).
• Interfaţa I/O. Nivel adaptat semnalelor și modului de funcționare al magistralei, și un nivel adaptat particularităților funcţionale ale dispozitivului I/O.
• Registre de intrare/ieşire, registre de comenzi, registre de stare : adresabile de CPU.

Tipuri de transmisie

• Sincrone: Datele se transmit la un interval fix de timp, sincron cu un semnal de ceas.
• Asincronă: Datele se transmit cu biți de start și stop, pentru a indica începutul și sfârșitul unui caracter.

Standarde de corecție a erorilor

• EDC (Error Detection Codes) – detectează erori în timpul transmisiei.
• ARQ (Automatic Repetition reQuest) – retransmită automat datele deteriorate în timpul transmisiei.
• ECC (Error Correction Code) – corectează erori.

Standarde de compresie a datelor

• Compresia datelor: metodele fără pierderi.

Interfețe seriale

• RS-232: comună, asincronă pentru transmiterea unui şir de biţi.
• UART, ACIA: circuite integrate pentru transformarea serial-paralel și paralel-serial.
• USB: interfață populară, rapidă, plug-and-play.

Interfețe wireless

• Bluetooth: comunicatie wireless personală (PAN). Tehnologie radio cu putere redusă.
• Wi-Fi (Wireless Fidelity): comunicații wireless locală (WLAN). Frecvențe radio folosind spectru de frecvențe fără licenţă.

Gestionare tranzacții I/O

• Transferuri DMA (Direct Memory Access): mecanism pentru transferul de date între memorie şi dispozitive periferice fără a implica procesorul neintrerupt; iniţializarea, transferul efectiv de date, verificarea erorilor.

Canale IRQ (Interrupt Request)

• Mecanism care permite dispozitivelor periferice să îşi semnaleze procesorul că au o operație.

Magistrala memoriei

• Realizează transferul de date între unitatea centrală şi memoria principală.
• Dimensiunea magistralei influenţează cantitatea de memorie accesibilă procesorului.

Magistrala I/O

• Permite comunicarea procesorului cu dispozitivele periferice.

Magistrala PCI

• Magistrala de tip mezanin, folosit de calculatoare. Permite dispozitivelor periferice să comunice şi cu o magistrală specializată.

PCI Express

• O arhitectură de bază specializată, oferind performanţe superioare față de PCI.
• Conexiuni punct-la-punct, seriale.
• Transfer de date în pachete
• Permite sistemului de operare să utilizeze resursele.

Nivelul microprogramat

• Interfață între limbajul maşină şi componentele fizice ale procesorului.
• Microinstrucţiuni: semnale pentru executarea operaţiilor.
• Microinstrucţiune: câmp cod operație, câmp operanzi.

Nanoprogramarea

• Asociere optimă între microprogramare orizontală și verticală, mai ales pentru un număr redus.

Conceptul de paginare

• Divizarea memoriei virtuale în blocuri de dimensiune fixă (pagini).
• Permite gestionarea eficientă a memoriei virtuale, prin schimburi între memoria internă şi memoria externă.

Politica de înlocuire a paginilor

• Metode de selectare a unei pagini pentru a fi înlocuită din memoria internă pentru una nouă, în caz de necesitate. Algoritmi de înlocuire: FIFO, Belady, NRU, Second Chance, Clock, Random, Aging, Working set (WS).

Acest quiz se concentrează pe conceptele cheie legate de memoria cache, inclusiv strategii de înlocuire a datelor și eficiența accesării. Vor fi examinate aspecte precum bitul D, algoritmii NFU și Aging, precum și caracteristicile mapării asociative pe seturi. Testați-vă cunoștințele despre aceste concepte fundamentale în informatică.