Оперативная память ПЭВМ, виды, назначение и основные характеристики

 Дорошенко, «Оперативная память ПЭВМ, виды, назначение и основные характеристики»

 

Федеральное агентство по образованию 
 
Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«Санкт-Петербургский государственный 
инженерно-экономический университет»

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

«Оперативная память ПЭВМ, виды, назначение и основные характеристики» 
по дисциплине «Информатика»

 

 

 

 

 

Руководитель: Михальчук С.А. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 
2013

1. Оперативная память

Оперативная память - это, в отечественной научной терминологии, "оперативное запоминающее устройство" или ОЗУ, а в западной - RAM, то есть "Random Access Memory" ("память с произвольным доступом"). ОЗУ представляет собой область временного хранения данных, при помощи которой обеспечивается функционирование программного обеспечения. Память состоит из ячеек, каждая из которых предназначена для хранения определенного объема данных, как правило, одного или четырех бит. Чипы памяти работают синхронно с системной шиной. Компьютерная оперативная память является динамической (DRAM - Dynamic RAM) - для хранения данных в такой памяти требуется постоянная подача электрического тока, при отсутствии которого ячейки опустошаются. Примером энергонезависимой или постоянной памяти (ПЗУ или ROM - Read Only Memory) является флэш-память, в которой электричество используется лишь для записи и чтения, в то время как для самого хранения данных источник питания не нужен. Ячейки памяти в микросхемах представляют собой конденсаторы, которые заряжаются в случае необходимости записи логической единицы, и разряжаются при записи нуля. Опустошение памяти в случае отсутствия электроэнергии осуществляется именно за счет утечки токов из конденсаторов.  (Рисунок 1)

Принцип работы оперативной памяти можно представить следующим образом. Поскольку ячейки организованы в виде двумерной матрицы, для получения доступа к той или иной ячейке необходимо указать адрес соответствующей строки и столбца. Для выбора адреса применяются импульсы RAS# (Row Access Strobe - стробирующий импульс доступа к строке) и CAS# (Column Acess Strobe - стробирующий импульс доступа к столбцу), при которых уровень сигнала изменяется с высокого на низкий. Эти импульсы синхронизированы с тактирующим импульсом, поэтому оперативная память также называется синхронной (SDRAM). Сначала подается сигнал активации необходимой строки, после чего импульс RAS#, а затем CAS#. При операции записи происходит то же самое, за исключением того, что в этом случае подается специальный импульс разрешения записи WE# (Write Enable), который также должен измениться с высокого на низкий. После завершения работы со всеми ячейками активной строки выполняется команда Precharge, позволяющая перейти к следующей строке.

Важнейшая характеристика памяти, от которой зависит производительность - это пропускная способность, которая выражается как произведение частоты системной шины на объем данных, передаваемых за каждый такт. В случае с памятью SDRAM мы имеет шину шириной 64 бита или 8 байт. Следовательно, к примеру, пропускная способность памяти типа DDR333 составляет 333 МГц на 8 Байт, что равняется 2,7 Гб в. Отсюда и другое название памяти PC2700, сообщающее о ее пропускной способности в мегабайтах в секунду. В последнее время часто используется двухканальное подключение памяти, при котором теоретическая пропускная способность удваивается. То есть, в случае с двумя модулями DDR333 мы получим максимально возможную скорость обмена данных 5,4 Гб в секунду.

Частота работы памяти и, следовательно, ее теоретическая пропускная способность не являются единственными параметрами, отвечающими за производительность. Не менее важную роль играют и латентность памяти, то есть значения задержек между подачей команды и ее выполнением. Эти значения принято называть таймингами, которые выражаются в тактах, прошедших между поступлением какой-либо команды и ее реальным исполнением. Четыре важнейших тайминга, которые всегда используются при описании тех или иных модулей памяти - tRCD, tCL, tRP, tRAS, которые записываются в той же последовательности. Например: 4-4-4-12-(1T). Аббревиатура tRCD расшифровывается как timе of RAS# to CAS# Delay - тайминг задержки между импульсами RAS# и CAS#. Сокращение tCL означает timе of CAS# Latency - тайминг задержки относительно импульса CAS# после подачи команды записи или чтения. tRP - это timе of Row Precharge, то есть тайминг между завершением обработки строки и перехода к новой строке. Значение tRAS (time of Active to Precharge Delay) считается одним из основных параметров, поскольку он описывает время задержки между активацией строки и подачей команды Precharge, которой заканчивается работа с этой строкой. Наконец, параметр Command rate означает задержку между командой выбора конкретного чипа на модуле и командой активации строки. Обычно эта задержка составляет не более одного-двух тактов.

Общее правило гласит, что чем меньше тайминги при одной тактовой частоте, тем быстрее память. Более того, в целом ряде случаев быстрее оказывается память с меньшими таймингами, работающая даже на более низкой тактовой частоте. Оперативная память работает синхронно с системной шиной, поэтому память с частотой, не кратной частоте системной шины и с пропускной способностью, превышающей пропускную способность системной шины, никаких преимуществ перед более дешевой не имеет. К примеру, системная шина процессоров Pentium 4 работает на частоте 800 МГц, что при ширине шины 64 бит обеспечивает максимальную пропускную способность в 6,4 Гб в секунду. Оптимальным выбором для таких чипов является двухканальная память DDR2 400 с аналогичной пропускной способностью в 6,4 Гбайта в секунду. Использование в двухканальном режиме более дорогих модулей типа DDR2 533/677 не прибавит производительности. В иных случаях бывает необходимо снизить рабочую частоту таких модулей, но добиться более низких таймингов. Это положительно сказывается на производительности. Убедиться в этом можно с помощью различных тестовых программ.  
2. Виды оперативной памяти, их назначение и основные характеристики

Оперативную память можно разделить на две основные группы: статическая память (Static RAM) и динамическая память (Dynamic RAM).

Эти два типа памяти отличаются, прежде всего, различной в корне технологической реализацией: SRAM будет хранить записанные данные до тех пор, пока не запишут новые или не отключат питание, а DRAM может хранить данные лишь небольшое время, после которого данные нужно восстановить, иначе они будут потеряны.

Что касается достоинств и недостатков, то стоит отметить, что память типа DRAM в силу своей технологии имеет большую плотность размещения данных, нежели SRAM. Однако SRAM производительнее и надежнее, поскольку всегда готова к считыванию.

2.1. Статическая память

Статическая память, или SRAM (Statistic RAM) является наиболее производительным типом памяти. Микросхемы SRAM применяются для кэширования оперативной памяти, в которой используются микросхемы динамической памяти, а также для кэширования данных в механических устройствах хранения информации, в блоках памяти видеоадаптеров. Фактически, микросхемы SRAM используются там, где необходимый объем памяти не очень велик, но высоки требования к быстродействию. В персональных компьютерах с процессорами, у которых не было интегрированной на кристалле кэш-памяти второго уровня, всегда использовались микросхемы SRAM внешнего кэша. Для удешевления системных плат и возможности их модернизации производители системных плат с процессорами 486 и первых поколений Pentium устанавливали специальные разъемы для микросхем с DIP-корпусом, в которые можно было устанавливать различные микросхемы SRAM, отличающиеся как быстродействием и объемом памяти, так и различной разрядностью. Для конфигурирования памяти на системной плате предусматривался набор джамперов. Для справки на системной плате наносилась информация об установке джамперов, как, например, показано в таблице. В колонках JS1 и JS2 указаны номера контактов, которые надо замкнуть перемычками.

Пример таблицы конфигурирования кэш-памяти на системной плате:

Size	SRAM	JS1	JS2
256 К	32*8	1-2	1-2
512 К	64*8	2-3	1-2
1 М	128*8	2-3	2-3

Стоит отметить, что изменять положение джамперов не рекомендовалось, кроме случаев выхода из строя какой-либо микросхемы кэш-памяти. В дальнейшем, по мере разработки более совершенных микросхем SRAM, они непосредственно припаивались на системную плату в количестве 1, 2 или 4 штук. На системных платах, которые выпускаются в настоящее время, микросхемы SRAM используются, в основном, только для кэширования ввода/вывода и других системных функций.

2.1.1. Устройство матрицы статической памяти

Подобно ячейкам динамической памяти, триггеры объединяются в единую матрицу, состоящую из строк и столбцов, последние из которых так же называются битами.

В отличие от ячейки динамической памяти, для управления которой достаточно одного ключевого транзистора, ячейка статической памяти управляется как минимум двумя, так как триггер, в отличие от конденсатора, имеет раздельные входы для записи логического нуля и единицы соответственно. Таким образом, на ячейку статической памяти расходуется восемь транзисторов.

 

Рисунок 2. Устройство шеститранзистроной однопортовой ячейки SRAM-памяти

 

 

Основной недостаток шеститранзисторной ячейки заключается в том, что в каждый момент времени может обрабатываться всего лишь одна строка матрицы памяти. Параллельное чтение ячеек, расположенных в различных строках одного и того же банка невозможно, равно как невозможно и чтение одной ячейки одновременно с записью другой.

В многопортовой памяти отсутствует данное ограничение. Каждая ячейка многопортовой памяти содержит один триггер, но несколько комплектов управляющих транзисторов, каждый из которых подключен к соответствующим линиям ROW и BIT, благодаря чему различные ячейки матрицы могут обрабатываться независимо. Такой подход намного более прогрессивен, чем деление памяти на банки. Ведь, в последнем случае параллелизм достигается лишь при обращении к ячейкам различных банков, что не всегда выполнимо, а много портовая память допускает одновременную обработку любых ячеек, избавляя программиста от необходимости вникать в особенности ее архитектуры.

Наиболее часто встречается двухпортовая память, устройство ячейки которой изображено на рисунке 3. Для создания одной ячейки двухпортовой памяти расходуется восемь транзисторов. Например, если емкость кэш памяти составляет 32 Кб, то только на одно ядро потребуется свыше двух миллионов транзисторов.

Рисунок 3. Устройство 8-транзистроной двух портовой ячейки SRAM-памяти

Рисунок 4. Ячейка динамической памяти воплощенная в кристалле

2.1.2. Типы статической памяти

Существуют следующие типы статической памяти: асинхронная, синхронная и конвейерная.

Асинхронная статическая память работает независимо от контроллера, в результате чего цикл обмена удлиняется по крайней мере на один такт, снижая тем самым эффективную производительность. В настоящее время асинхронная память практически нигде не применяется. Последними компьютерами, на которых данная память использовалась в качестве кэша второго уровня, являются ЭВМ на базе процессора Intel 80386.

Синхронная статическая память выполняет все операции одновременно с тактовыми сигналами, в результате чего для доступа к ячейке требуется один такт. На синхронной статической памяти реализуется кэш первого уровня современных процессоров.

Конвейерная статическая память представляет собой синхронную статическую память, оснащенную специальными "защелками", удерживающими линии данных, что позволяет читать (записывать) содержимое одной ячейки параллельно с передачей адреса другой. Конвейерная память может обрабатывать несколько смежных ячеек за один рабочий цикл, для чего достаточно передать лишь адрес первой ячейки пакета, а адреса остальных микросхема вычисляет самостоятельно. Ввиду большей аппаратной сложности конвейерной памяти время доступа к первой ячейке пакета увеличивается на один такт, однако, это практически не снижает производительность, так как все последующие ячейки пакета обрабатываются без задержек.

2.2. Динамическая память

DRAM1 — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъема, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

2.2.1. Принцип действия динамической памяти

Физически DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти. [6]

При отсутствии подачи электроэнергии к памяти этого типа происходит разряд конденсаторов, и память опустошается (обнуляется). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов ячеек и сохранения их содержимого, их необходимо периодически подзаряжать, прилагая к ним напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Такое динамическое поддержание заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Конденсаторы заряжают в случае, когда в «ячейку» записывается единичный бит, и разряжают в случае, когда в «ячейку» необходимо записать нулевой бит.