7.1 Ассоциативная память. Назначение и использование. Теги, компаранды, организация.

Под ассоциативной памятью (АП) подразумевают вариант организации памяти, при котором адресная информация, используемая для выборки слова из памяти, содержится в самих словах памяти. Чтение/запись осуществляется для тех слов, адресная часть которых (так называемый «тэг») полностью или частично. Ассоциативная память может быть организована как программным, так и
аппаратным путем. При программной реализации понятие АП используется в основном как модель взаимодействия программы (процессора) с источником данных. Например, в реляционных базах данных для ускорения поиска нужной информации широко используются т.н. ключевые поля, которые входят в состав каждой записи БД. Для быстрого поиска по ключам используют специальные индексные файлы, построенные, например, по принципу двоичных деревьев. Адресной информацией в данном случае является не номер записи, а содержимое, например, поля кода товара, или – фамилии человека. Индексные файлы же позволяют укорить процедуру поиска. При аппаратной организации АП большую роль играют, во-первых, аппаратные средства поиска, различные быстродействующие компараторы (схемы сравнения), а во-вторых - вариант организации поиска. В частности, в АП часто используется принцип «вертикальной» обработки и разрядных срезов. При обычной «горизонтальной» обработке для отыскания нужного слова в массиве ячеек слова просматриваются последовательно, по
адресам, то есть как бы горизонтально, если представить себе массив ячеек как вертикальный столбец.
При вертикальной обработке все слова просматриваются одновременно. При этом, если осуществлять сравнение искомого тэга со всеми разрядами всех тэгов слишком накладно, то используются вертикальные разрядные срезы (РС) всех слов накопителя. После первого сравнения отсекаются все слова, имеющие первый бит, несовпадающий с заданным тэгом, затем анализируется следующий РС и т.д.
Таким образом, отличительные особенности АП:
1. Операции в памяти выполняются не над определенной ячейкой, а относятся сразу к группе или ко всем элементам.
2. Основной операцией в АП является операция поиска или сравнения.
3. Время поиска в АП может не зависеть от числа ячеек в памяти.
При аппаратной организации АП выделяют 4 варианта :
1. Память с полным параллельным доступом (осуществляется параллельное сравнение всех тэгов с заданным по всем разрядам) – самый высокопроизводительный и самый дорогой вариант.
2. Память с последовательной обработкой разрядных срезов (РС). Время поиска (доступа) в такой памяти пропорционально разрядности тэгов.
3. Память с последовательной обработкой слов («горизонтальная обработка») - время поиска пропорционально числу слов в памяти. Фактически этот вариант только условно можно отнести к АП, и то в случае, когда сравнение каждого тэга с заданным осуществляется аппаратным способом.
4. Частично-ассоциативная память. Компромиссный вариант, в котором выделяются несколько групп слов (блоков слов), в каждой из которых производится последовательный поиск, но все группы обрабатываются параллельно, либо – наоборот, группы обрабатываются последовательно, а
внутри группы ведется полностью ассоциативный поиск, или поиск по срезам. Маска используется для выделения тех разрядов, которые должны участвовать в сравнении. Ассоциативная память применяется в основном в ВС, в которых решаются задачи распознавания образов, необходим быстрый поиск информации (например - в системах с аппаратной поддержкой БД). Также АП применяется в системах виртуальной памяти и кэш-памяти для определения необходимости подкачки страниц и для поиска страниц, подлежащих замене.
(АЗУ). Для нахождения адреса и дополнительной, связанной с ним информации, в АЗУ используется последовательность поисковых данных. Запись выполняется с помощью функции обучения, при этом используются любые имеющиеся в распоряжении матричные адреса. Для считывания данных используется последовательность разрядов (компаранд), которая сравнивается с разрядом каждой ячейки. При совпадении схема выводит статус обнаружения (монтажное ИЛИ на всех XNOR-выходах), адрес ячейки и ее данные, а также остаток последовательности. Такой режим возможен благодаря применению в АЗУ ячейки, содержащей восемь или десять транзисторов и два резистора. Функцию XNOR выполняют четыре дополнительные транзистора, расположенные вне структуры СОЗУ.