Оперативная память

Оперативная память

 

Одним из важнейших устройств  компьютера является память, или запоминающее устройство (ОЗУ). По определению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ОЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера.

Классификация оперативной  памяти (ОЗУ)

Введение

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых  первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре (“Информатика в понятиях и терминах”), созданных  в сороковых — в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. Поэтому автор приводит некоторую классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям.

1. Энергозависимая  и энергонезависимая память

ЭВМ первого поколения  по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее врем работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. Поэтому требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.

 
Энергонезависимая память позволяла  хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всего  в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Они представляют собой тор, изготовленных  из специальных материалов — ферритов. Ферриты характеризуются тем, что петля гистерезиса зависимости их намагниченности от внешнего магнитного пол носит практически прямоугольный характер.

Рис. B.1. Диаграмма намагниченности ферритов.

 
Вследствие этого намагниченность  этого сердечника меняется скачками (положение двоичного 0 или 1, смотри рисунок B.1.) Поэтому, собрав схему, показанную на рисунке B.2, практически собран простейший элемент памяти емкостью в 1 бит. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и  затрачивалось много электрической  энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая  память стала вытеснятьс энергозависимой — более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всего военных.

Рис. B.2. Схема элемента памяти на ферритовых сердечниках.

Полупроводниковая память.

В отличие от памяти на ферритовых сердечниках полупроводниковая  память энергозависимая. Это значит, что

при выключении питания ее содержимое теряется.

Преимуществами же полупроводниковой  памяти перед ее заменителями являются:

·     малая рассеиваемая мощность;

·     высокое быстродействие;

·     компактность.

Эти преимущества намного  перекрывают недостатки полупроводниковой  памяти, что делают ее незаменимой  в ОЗУ современных компьютеров.

2. SRAM и DRAM.

Полупроводниковая оперативная  память в настоящее время делится  на статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). Прежде, чем объяснять разницу  между ними, рассмотрим эволюцию полупроводниковой  памяти за последние сорок лет.

2.1. Триггеры.

Триггером называют элемент  на транзисторах, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 и 1), а по внешнему сигналу он способен менять состояние [Информатика в  понятиях и терминах/М., Просвещение, 1991 г. — 208 с.: ил. — стр. 91]. Таким образом, триггер может служить ячейкой памяти, хранящей один бит информации. Любой триггер можно создать из трех основных логических элементов: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому все, что относится к элементной базе логики, относится и к триггерам. Сама же память, основанная на триггерах, называется статической (SRAM).

2.2. Элементная база логики.

1.     

 
РТЛ —резистивно-транзисторна логика. Исторически является первой элеентной базой логики, работающей на ЭВМ второго поколения. Обладает большой рассеивающей мощностью (свыше 100 мВт на логический элемент). Не применялась уже в ЭВМ третьего поколения.

2.     ТТЛ, или Т²Л —транзисторно-транзисторна логика. Реализована на биполярных транзисторах. Использовалась в интегральных схемах малой и средней степени интеграции. Обладает временем задержки сигнала в логическом элементе 10— нс, а потребляемая мощность на элемент —10 мВт.

3.     

 
ТТЛ-Шотки —это модификация ТТЛ с использованием диода Шотки. Обладает меньшим временем задержки (3 нс) и высокой рассеиваемой мощностью (20 мВт).

4.

 
ИИЛ, или И²Л —интегральная инжекторна логика. Это разновидность ТТЛ, базовым элементом которой являются не биполярные транзисторы одного рода (pnp или npn), а горизонтально расположенного p+n+p транзистора и вертикально расположенного npn транзистора. Это позволяет создать высокую плотность элементов на БИС и СБИС. При этом потребляемая мощность равна 50 мкВт на элемент и время задержки сигнала – 10 нс.

5.     ЭСЛ —логические элементы с эмиттерными связями. Эта логика также построена на биполярных транзисторах. Время задержки в них —0,5 —2 нс, потребляема мощность —25 —50 мВт.

6.     

 
Элементы на МДП (МОП) —транзисторах. Это схемы, в которых биполярные транзисторы заменены на полевые. Время задержки таких элементов составляет от 1 до 10 нс, потребляемая мощность — от 0,1 до 1,0 мВт

7.     CMOS) КМОП —логика (комплементарная логика.) В этой логике используются симметрично включенные n-МОП и p-МОП транзисторы. Потребляема мощность в статическом режиме —50 мкВт, задержка —10 —50 нс.

Как видно из этого обзора, логика на биполярных транзисторах самая  быстрая, но одновременно самая дорогая  и обладает высокой мощностью  рассеяния (и значит —лучше “греется”.) При прочих равных условиях логика на полевых транзисторах более медленная, но обладает меньшим электропотреблением и меньшей стоимостью.

2.3. SRAM. Замечания.

Из предыдущего раздела  Вы узнали, что является элементной базой статического ОЗУ. Как Вы уже  поняли, статическое ОЗУ —дорогой и неэкономичный вид ОЗУ. Поэтому его используют в основном для кэш-памяти, регистрах микропроцессорах и системах управления RDRAM (смотри раздел B.3.3.5).

2.4. DRAM. Что это такое?

Для того, чтобы удешевить оперативную память, в 90-х годах XX века вместо дорогого статического ОЗУ на триггерах стали использовать динамическое ОЗУ (DRAM). Принцип устройства DRAM следующий: система металл-диэлектрик-полупроводник способна работать как конденсатор. Как известно, конденсатор способен некоторое время “держать” на себе электрический заряд. Обозначив “заряженное” состояние как 1 и “незаряженное” как 0, мы получим ячейку памяти емкостью 1 бит. Поскольку заряд на конденсаторе рассеивается через некоторый промежуток времени (который зависит от качества материала и технологии его изготовления), то его необходимо периодически “подзаряжать” (регенерировать), считывая и вновь записывая в него данные. Из-за этого и возникло понятие “динамическая” дл этого вида памяти.

За 10 лет, прошедших со времени  создания первых микросхем DRAM, их развитие шло “семимильными" шагами по сравнению  с SRAM. Эволюция DRAM рассматривается в  следующем подразделе.

3. Динамическое ОЗУ.

Конструктивные  особенности.

Динамическое ОЗУ со времени  своего появления прошло несколько  стадий роста, и процесс ее совершенствования  не останавливается. За свою десятилетнюю историю DRAM меняла свой вид несколько  раз. Вначале микросхемы динамического  ОЗУ производились в DIP-корпусах. Затем их сменили модули, состоящие  из нескольких микросхем: SIPP, SIMM и, наконец, DIMM и RIMM. Рассмотрим эти разновидности  поподробнее.

3.1. Устаревшие модификации.

 
3.1.1. DIP.

Рис. B.3.1. Модуль памяти DIP

DIP- корпус —это исторически сама древняя реализация DRAM. DIP-корпус соответствует стандарту IC. Обычно это маленький черный корпус из пластмассы, по обеим сторонам которого располагаются металлические контакты (см. рисунок B.3.1.).

 
Рис. B.3.2. Банк модулей памяти DIP

Микросхемы (по-другому, чипы) динамического ОЗУ устанавливаются  так называемыми банками. Банки бывают на 64, 256 Кбайт, 1 и 4 Мбайт. Каждый банк состоит из девяти отдельных одинаковых чипов. Из них восемь чипов предназначены для хранения информации, а девятый чип служит для проверки четности остальных восьми микросхем этого банка.

Чипы памяти бывают одно и  четырехразрядными, и иметь емкость 64 Кбит, 256 Кбит, 1 и 4 Мбит. Обозначение  разновидностей микросхем памяти в DIP-корпусах показано в таблице [Р. Вебер, стр. 46—].

 
Следует отметить, что памятью с DIP-корпусами комплектовались персональные компьютеры с микропроцессорами i8086/88, i80286 и, частично, i80386SX/DX. Установка и  замена этого вида памяти была нетривиальной  задачей. Мало того, что приходилось  подбирать чипы для банков памяти одинаковой разрядности и емкости. Приходилось прилагать усилия и смекалку, чтобы чипы правильно устанавливались в разъемы. К тому же необходимо было не разрушить контакты механически, не повредить их инструментом, статическим электричеством, грязью и т.п. Поэтому уже в компьютерах с процессором i80386DX эти микросхемы стали заменять памяти SIPP и SIMM.

3.1.2. SIPP (SIP) —модули памяти.

Рис. B.3.3. Модуль памяти SIPP

Одной из незаслуженно забытых  конструкций модулей памяти являются SIPP-модули. Эти модули представляют собой маленькие платы с несколькими  напаянными микросхемами DRAM.

SIPP является сокращением  слов Single Inline Package. SIPP-модули соединяются с системной платой с помощью контактных штырьков. Под контактной колодкой находятся 30 маленьких штырьков (смотри рисунок B.3.3.), которые вставляются в соответствующую панель системной платы ([Вебер,] стр. 49—).

Модули SIPP имели определенные вырезы, которые не позволяли вставить их в разъемы неправильным образом. По мнению автора, этот вид модулей  лидировал по простоте их установки  на системную плату.

 
3.2. SIMM-модули.

Рис. B.3.4. Модуль памяти SIMM

Аббревиатура SIMM расшифровывается как Single Inline Memory Module (Модуль памяти с однорядным расположением выводов.) Он включает в себя все то, что для DIP называлось банком (смотри подраздел B.3.1.1.)

 
Модули SIMM могут иметь объем 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. Соединение SIMM-модулей  с системной платой осуществляется с помощью колодок (см. рисунок B.3.5.)

Рис. B.3.5. Установка модуля памяти SIMM

Модуль вставляется в  пластмассовую колодку под углом 70 — градусов, а потом зажимается пластмассовым держателем. При этом плата встает вертикально. Специальные  вырезы на модуле памяти не позволит поставить  их неправильным образом ([Вебер,] стр. 47—.)

Модули SIMM для соединения с системной платой имеют не штырьки, а позолоченные полоски (так называемые pin, пины).

3.2.1. Сравнение SIMM-модулей.

SIMM-модули в своем развитии  прошли два этапа. Первыми представителями  SIMM-модулей были 30-пиновые SIMM FPM DRAM. Их максимальная частота работы  — 29 МГц. Стандартным же временем  доступа к памяти считалось  70 нс. Эти модули уже с трудом  работали на компьютерах с  микропроцессорами i80486DX2, и были  вытеснены сначала 72-пиновыми FPM DRAM, а затем EDO RAM.

SIMM EDO RAM имеют только 72 пина и могут работать на частоте до 50 МГц. Этими модулями памяти оснащались компьютеры с процессорами Intel 80486DX2/DX4, Intel Pentium, Pentium Pro и Pentium MMX, а также AMD 80586 и K5. Эти модули устанавливались на платах с чипсетом Intel 440TX, 440EX, 440LX, 450NX; VIA Apollo MVP 3/4, Pro/Pro+; ALI Alladin 4/4+/V/PRO II, ALI Alladin TNT2.

В настоящее время SIMM-модули, как 30-pin, так и 72-pin не удовлетворяют  по своим характеристикам требованиям  новых шин и процессоров. Поэтому они все активнее заменяютс модулями DIMM [Евгений Калугин Типы памяти.//”Подводная лодка”, январь 2000 —стр. 166—.]