Оперативная память

3.2.2. Причины повышения  скорости работы EDO RAM.

Не смотря на небольшие конструктивные различия, и FPM, и EDO RAM делаютс по одной и той же технологии, поэтому скорость работы должна быть одна и та же. Действительно, и FPM, и EDO RAM имеют одинаковое время считывания первой ячейки — 60 —70 нс. Однако в EDO RAM применен метод считывани последовательных ячеек. При обращении к EDO RAM активизируется не только первая, но и последующие ячейки в цепочке. Поэтому, имея то же время при обращении к одной ячейке, EDO RAM обращается к следующим ячейкам в цепочке значительно быстрее. Поскольку обращение к последовательно следующим друг за другом областям памяти происходит чаще, чем к ее различным участкам (если отсутствуетфрагментация памяти), то выигрыш в суммарной скорости обращения к памяти значителен. Однако даже для EDO RAM существует предел частоты, на которой она может работать. Несмотря ни на какие ухищрения, модули SIMM не могут работать на частоте локальной шины PCI, превышающей 66 МГц. С появлением в 1996 году процессора Intel Pentium II и чипсета Intel 440BX частота локальной шины возросла до 100 МГц, что заставило производителей динамического ОЗУ перейти на другие технологии, прежде всего DIMM SDRAM.

3.3.DIMM

Аббревиатура DIMM расшифровывается как Dual Inline Memory Module (Модуль памяти с двойным расположением выводов). В модуле DIMM имеетс 168 контактов, которые расположены с двух сторон платы и разделены изолятором. Также изменились и разъемы для DIMM-модулей.

Следует отметить, что разъем DIMM имеют много разновидностей DRAM. К тому же вплоть до последнего времени  модули DIMM не имели средств самоконфигурирования (в отличие от SIMM-модулей). Поэтому для облегчения выбора нужного модул пользователям на материнских платах разные типы DIMM имеют от одного до трех вырезов на модуле памяти. Они предотвращают от неправильного выбора и неправильной установки модулей памяти.

В следующих подразделах  рассмотрим типы DRAM, имеющие разъем DIMM.

 
3.3.1. SDRAM.

Рис. B.3.6. Модуль памяти SDRAM

Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronic DRAM (динамическое ОЗУ с синхронным интерфейсом). Этим они отличаются от FPM и EDO DRAM, работающих по асинхронному интерфейсу.

С асинхронным интерфейсом  процессор должен ожидать, пока DRAM закончит выполнение своих внутренних операций. Они обычно занимают 60 нс. В DRAM с синхронным управлением происходит защелкивание информации от процессора под управлением  системных часов. Триггеры запоминают адреса, сигналы управления и данных. Это позволяет процессору выполнять  другие задачи. После определенного  количества циклов данные становятся доступными, и процессор может  их считывать. Таким образом, уменьшается  время просто процессора во время  регенерации памяти.

Другое преимущество синхронного  интерфейса —это то, что системные часы задают временные границы, необходимые DRAM. Это исключает необходимость наличия множества стробирующих импульсов, обязательных дл асинхронного интерфейса. Это, во-первых, уменьшает трафик по локальной шине (нет “лишних”сигналов), а во-вторых, позволяет упростить операции ввода-вывода (в операциях пересылки центральный процессор либо контроллер DMA уже не должен выделять полезную информацию среди служебных стробирующих импульсов и битов четности). В-третьих, все операции ввода/вывода на локальной шине стали управляться одними и теми же синхроимпульсами, что само по себе хорошо.

Хотя SDRAM появилась уже  давно, использование ее тормозилось  высокой (на 33%) ценой по сравнению  с EDO RAM. “Звездный час”SDRAM настал в 1997 году, после появления чипсета 440BX, работающего на частоте 100 МГц. Вследствие этого доля рынка SDRAM за год выросла в два раза (с 25% в 1997 году до 50% в 1998 году.)

В настоящее время выпускаютс модули SDRAM, работающие на частотах 100 и 133 МГц. Также разработаны SDRAM на частоты 143 МГц и выше.

3.3.2. ESDRAM.

Следующим оригинальным решением, увеличившим частоту работы SDRAM, явилось создание кэша SRAM на самом модуле динамического ОЗУ. Так появилась спецификация Enhanced SDRAM

(ESDRAM). Это позволило поднять  частоту работы модуля до 200 МГц.  Назначение кэша на модуле точно такое же, что и кэш второго уровн процессора —хранение наиболее часто используемых данных.

 
3.3.3. SDRAM II.

Рис. B.3.7. Модуль памяти DDR DRAM (SDRAM II)

Спецификация SDRAM II (или DDR SDRAM) не имеет полной совместимости с SDRAM. Эта спецификация позволяет увеличить частоту работы SDRAM за счет работы на обеих границах тактового сигнала, то есть на подъеме и спаде. Однако SDRAM

II использует тот же 168-ми  контактный разъем DIMM.

3.3.4. SLDRAM.

Как и SDRAM II, эта спецификация использует обе границы тактового сигнала и имеет в себе SRAM. Однако благодаря протоколу SynchLink Interface эта память способна работать на частоте до 400 МГц.

 
3.3.5. Память от Rambus (RDRAM, RIMM).

Рис. B.3.8. Модуль памяти RDRAM (RIMM)

RDRAM представляет собой  спецификацию, созданную и запатентованную  фирмой Rambus, Inc. За счет использования обоих границ сигнала достигается частота работы памяти в 800 МГц.

Подсистема памяти Direct Rambus включает в себя следующие компоненты [Евгений Калугин. Типы памяти.//”Подводная лодка”, январь 2000 г., стр. 166—.]:

8.    Direct Rambus Controller.

9.    Direct Rambus Channel.

10.  Direct Rambus Connector.

11.  Direct Rambus RIMM(tm).

12.  Direct Rambus DRAMs.

Рассмотрим эти компоненты поподробнее:

1. Контроллер Direct Rambus —это главная шина подсистемы памяти. Он помещается на чипе логики, как и PC-чипсет, микропроцессор, графический контроллер. Физически можно поместить до четырех Direct Rambus —контроллеров на одном чипе логики. Контроллер —это интерфейс между чипом логики и памятью Rambus, и в его обязанности входит генерация запросов, управление потоком данных, и ряд других функций.

2. Direct Rambus Channel создает электрические соединения между Rambus Controller и чипами Direct RIMM. Работа канала основана на 30-ти сигналах, составляющих высокоскоростную шину. Эта шина работает на частоте 400 МГц и, за счет передачи данных на обеих границах тактового сигнала, позволяет передавать данные на 800 МГц. Два канала данных (шириной в байт каждый) позволяет получать пиковую пропускную способность в 1,6 Гбайт/с. Канал соответствует форм-фактору SDRAM.

3. Разъем Direct Rambus —это разъем со 168 контактами. Контакты расположены на двух сторонах модуля, по 84 с каждой стороны. Разъем представляет собой низко индуктивный интерфейс между каналом на модуле RIMM и каналом на материнской плате.

4. Модуль RIMM — это модуль  памяти, который включает в 
себя один или более чипов и организует непрерывность канала. По существу, RIMM образует непрерывный канал на пути от одного разъема к другому. Поэтому оставлять свободные разъемы недопустимо

Существуют специальные  модули только с каналом, называемые continuity modules. Они не содержат чипов памяти и предназначены для заполнения свободных посадочных мест.

Модули RIMM имеют размеры, сходные с геометрическими размерами SDRAM DIMMs. Модули RIMM поддерживают SPD, которые используются на DIMM'ах SDRAM. В отличие от SDRAM DIMM, Direct Rambus может содержать любое целое число чипов Direct RDRAM (до максимально возможного).

Один канал Direct Rambus максимум может поддерживать 32 чипа DRDRAM. На материнской плате может использоваться до трех RIMM модулей. Используются 64 Мбит, 128 Мбит и 256 Мбит устройства.

Чтобы расширить память сверх 32-х устройств, могут использоваться два чипа повторителя. С одним  повторителем канал может поддерживать 64 устройства с 6-ю RIMM модулями, а с  двумя —128 устройств на 12 модулях.

5. Чипы DRDRAM. Чипы DRDRAM составляют  часть подсистемы Rambus, запоминающие данные. Все устройства в системе электрически расположены в канале между контроллером и терминатором. Устройства Direct Rambus могут только отвечать на запросы контроллера, который делает их шину подчиненной или отвечающей. Устройства включают в себя статическое и динамическое ОЗУ.

4. Оперативная кэш-память.

Как уже отмечалось, для  динамической оперативной памяти необходима периодическая ее регенерация. В  компьютере это осуществляется централизовано: организуется цикл прямого чтения/записи содержимого динамического ОЗУ. Эта операция осуществляется с помощью специальной микросхемы. В процессе регенерации микропроцессор переходит в режим ожидания, что снижает производительность системы не менее чем на 5%.

Минимальный цикл обращения микропроцессора к оперативной памяти состоит из двух состояний шины. Подсчитано, что около 70% всех обращений процессора к шине компьютера составляет чтение команд, 20% — чтение и запись данных, и только оставшиеся 10% составляют обращения к устройствам ввода-вывода. Поэтому введение даже одного состояния ожидания при обращении к памяти значительно снижает производительность компьютера. Таким образом, существенный рост быстродействия системы может быть достигнут только при сбалансированной работе подсистемы памяти.

 
Для старых персональных компьютеров (на основе микропроцессоров Intel i8088, i8086, i80286 и процессоре i80386/20 МГц) была характерна одноуровневая система организации памяти. По этой системе разработчики были вынуждены устанавливать дешевые DRAM с быстродействием 80 —120 нс, либо применять дорогостоящие SRAM с быстродействием 40 —60 нс. Для сокращени среднего времени ожидания при обращении к операционной системе использовались (и используются в настоящее время) методы интерливинга и страничной организации.

Рис. B.4.1. Система с интерливингом памяти.

В системе с интерливингом  —расслоением адресов ячеек памяти —весь объем памяти делится на два или несколько банков. Двойные слова с последовательными адресами располагаются в разных банках. Во время считывания информации из оперативной памяти за один цикл можно организовать параллельное извлечение информации из разных блоков, что уменьшает количество циклов ожидания.

 
Преимущество систем с интерливингом  проявляется при обращении к  последовательным ячейкам и считывании сразу 32-х бит информации. В противном  случае интерливинг не дает никаких  преимуществ.

Рис. B.4.2. Система со страничной организации памяти.

В системах со страничной организацией памяти вся память делится на фиксированные  по размеру зоны адресов —страницы. Обращение к памяти в пределах страницы происходит без ожидания, а при смене страницы —как обычно, с состояниями ожидания.

При страничной организации  память делится на строки и столбцы. Адрес обращения к двойному слову  содержит 9-ти разрядный номер строки и 9-ти разрядный номер столбца. При  обращении к странице сигнал выбора номера строки поддерживается неизменным, а сигнал выбора столбца переставляется на столбец, откуда нужно прочитать  данные.

Страничная организация  памяти требует для своей реализации особые микросхемы. Они имеют специальный  режим – страничный доступ со статической  выборкой столбцов (static column decode).

Для полной реализации потенциальных  скоростных возможностей микропроцессоров используется многоуровневая иерархическая память. Она включает в себя быстродействующую кэш-память – SRAM. Кэш-память состоит из памяти данных, построенная на микросхемах SRAM, и контроллера кэша. В кэш-памяти хранится информация, копируемая из основной оперативной памяти. Каждый раз при обращении микропроцессора к памяти контроллер кэш-памяти проверяет наличие данных в кэше. Если эти данные в кэше есть (“попадание”), то микропроцессор получает данные из кэша. Если этих данных нет (“промах”), выполняется обычный цикл обращения к оперативной памяти DRAM.

Основным фактором, определяющим вероятность попадания, является емкость  кэш-памяти. Как правило, при объеме кэша в 2 Кбайта вероятность попадания составляет от 50 до 60%. Поскольку размер кэш-памяти на современных компьютерах превышает 256 Кбайт, то вероятность попадания будет выше 90% (дл компьютеров с объемом памяти ~ 16 Мбайт.)

Для реализации кэш-памяти в  настоящее время разработаны  эффективные однокристальные контроллеры. Наиболее широкое распространение получили контроллеры i82385 фирмы Intel и A38152 фирмы Asustec Microsystems.

Контроллер i82385 поддерживает 32 Кбайта кэш-памяти, и может работать в двух конфигурациях:

13.  Кэш-память с прямым отображением.

14.  Двухканальная модульно-ассоциативна кэш-память.

 
Первая конфигурация характеризуется простотой реализации, однако она оказывается неэффективной при работе в мульти задачных системах. В двухканальной реализации кэш-память разбивает все 4 Гбайтное адресное пространство на 262144 страницы по 16 Кбайт. 32-х разрядный физический адрес состоит из четырнадцатиразрядного адреса, определяющего информацию в кэш-памяти, и восемнадцатиразрядного тега, определяющего номер страницы. Каждый адрес оперативной памяти может быть отображен в одну из двух ячеек кэш-памяти. На рисунке B.4.3 рассматривается образование физического адреса в двухканальной модульно-ассоциативной памяти.