Открыть сервисСервис

МПЗ — множественная программируемая запоминающая система

МПЗ (множественная программируемая запоминающая система, англ. MPS — Multiple Programmable Store) — вид запоминающего устройства (ЗУ) с программируемым доступом, в котором к одному и тому же физическому элементу памяти может быть одновременно подключено несколько независимых портов записи и считывания. МПЗ относится к классу многопортовых запоминающих устройств и применяется в специализированных вычислительных системах, где требуется одновременный доступ к общему массиву данных из нескольких источников.

Происхождение и расшифровка названия

Термин «МПЗ» является русскоязычной аббревиатурой от полного названия «множественная программируемая запоминающая система». Расшифровка раскрывает три ключевых свойства устройства:

  • множественная — наличие нескольких независимых портов доступа, позволяющих вести одновременную работу с общим массивом памяти;
  • программируемая — возможность записи (программирования) содержимого памяти после изготовления устройства, в отличие от ПЗУ с заложенной на этапе производства информацией;
  • запоминающая система — устройство, предназначенное для хранения и выдачи информации.

В англоязычной технической литературе аналогичные устройства обозначаются как MPS (Multiple Programmable Store), multiport memory или multiport RAM. В отечественной вычислительной технике аббревиатура МПЗ встречается преимущественно в описаниях специализированных процессорных комплексов и систем обработки данных, разработанных в СССР и России.

Отличие от обычных ЗУ

В стандартном однопортовом запоминающем устройстве доступ к ячейке возможен только через единственный порт, поэтому операции записи и считывания выполняются последовательно. Даже при высокой частоте работы это создаёт «узкое место»: процессор или контроллер вынужден ждать завершения предыдущего обращения.

МПЗ решает эту проблему за счёт нескольких портов, каждый из которых работает независимо. Если два или более источника обращаются к разным ячейкам памяти, операции выполняются параллельно. Если же одновременно запрашивается одна и та же ячейка, вступает в действие арбитраж (приоритетная логика), определяющий, чей запрос будет обслужен первым, либо схема разрешает конфликт иным способом — например, выдаёт данные обоим портам.

Устройство и принцип работы

Функционально МПЗ состоит из следующих основных блоков:

  1. Массив ячеек памяти — на основе статических (SRAM) или динамических (DRAM) ячеек, реже — специализированных аналоговых элементов в устройствах обработки сигналов.
  2. Декодеры адресов — по одному на каждый порт, преобразуют входной адрес в сигналы выбора строки и столбца массива.
  3. Схема арбитража портов — разрешает одновременные обращения к разным адресам и определяет приоритет при конфликте.
  4. Буферы данных — временные регистры, сглаживающие различия в тактовых частотах портов.
  5. Логика управления записью и считыванием — формирует управляющие сигналы WE (write enable) и OE (output enable) для каждого порта.

Число портов в реальных МПЗ обычно составляет от двух до восьми. Каждый порт может работать в режиме записи, считывания или быть отключённым — в зависимости от управляющих сигналов.

Классификация

МПЗ подразделяются по нескольким признакам:

ПризнакВиды
Тип ячеекстатические (SRAM-МПЗ), динамические (DRAM-МПЗ), аналоговые
Число портовдвухпортовые, четырёхпортовые, многопортовые (более 4)
Скорость доступабыстродействующие (единицы наносекунд), стандартные
Назначениеобщего применения, специализированные (для цифровой обработки сигналов, для систем реального времени)

Применение

МПЗ используются там, где критически важна пропускная способность системы памяти:

  • Векторные процессоры и суперкомпьютеры — для одновременной подачи операндов нескольким вычислительным элементам.
  • Системы цифровой обработки сигналов — в радарах, системах связи, где данные поступают от нескольких источников и должны обрабатываться в реальном времени.
  • Коммуникационные устройства — маршрутизаторы, коммутаторы, где требуется одновременный доступ к таблицам маршрутизации из нескольких портов.
  • Военная и специальная техника — системы управления, требующие высокой надёжности и параллельного доступа.
  • Микропроцессорные комплексы — кэш-память с несколькими портами доступа (двухпортовая кэш-память применяется в большинстве современных многоядерных процессоров).

Достоинства и недостатки

К достоинствам МПЗ относятся высокая пропускная способность за счёт параллельного доступа, снижение задержек в системах с несколькими потребителями данных, а также возможность разделения памяти между независимыми подсистемами без дублирования.

Недостатками являются повышенная сложность схемотехники (арбитраж, декодеры на каждый порт), рост стоимости и энергопотребления по сравнению с однопортовыми ЗУ того же объёма, а также необходимость решения конфликтов доступа, что вносит дополнительные задержки при одновременном обращении к одной ячейке.

МПЗ в отечественной вычислительной технике

В СССР разработка многопортовых запоминающих систем велась в рамках создания суперкомпьютерных архитектур — в частности, в институтах АН СССР и конструкторских бюро, занимавшихся вычислительной техникой для оборонных и научных задач. МПЗ применялись в специализированных процессорах для обработки сигналов и в системах с конвейерной организацией вычислений, где несколько функциональных устройств обращались к общему массиву данных одновременно.

В современной российской электронике многопортовая память интегрируется в составе специализированных микросхем — процессоров цифровой обработки сигналов, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и систем на кристалле (SoC), где несколько ядер или периферийных блоков работают с общим ОЗУ.

Источники:

  • Карцев В. А. «Процессоры цифровой обработки сигналов: принципы, архитектуры, проектирование»
  • Попов-Веденский А. А. «Основы организации ЭВМ»
  • Техническая документация на микросхемы многопортовой памяти (многопортовые SRAM, dual-port RAM)
  • Справочник по архитектуре ЭВМ и систем
Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru