Оперативная память

 

 

Оперативная память

 

 

• Оперативная память - это рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.
• Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими устройствами с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней.

 

 

Устройство и принципы функционирования оперативной памяти 

 

• Ядро микросхемы динамической памяти состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками (ROW), а вертикальные - столбцами (Column) или страницами (Page).
• Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится "сердце" ячейки - несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора.

 

 

•   Конденсатору отводится роль непосредственного хранителя информации. Правда, хранит он очень немного - всего один бит. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие - логической единице. Транзистор же играет роль "ключа", удерживающего конденсатор от разряда. В спокойном состоянии транзистор закрыт, но, стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, как спустя мгновение-другое (конкретное время зависит от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом.
•   Чувствительный усилитель (sense amp), подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Именно страница является минимальной порцией обмена с ядром динамической памяти. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможно! Действительно, открытие одной строки приводит к открытию всех, подключенных к ней транзисторов, а, следовательно, - разряду закрепленных за этими транзисторами конденсаторов.

 

 

                                                                                                                          

Рисунок 3 Устройство ячейки динамической памяти.

 

 

• Чтение ячейки деструктивно по своей природе, поскольку sense amp (чувствительный усилитель) разряжает конденсатор в процессе считывания его заряда. "Благодаря" этому динамическая память представляет собой память разового действия. Поэтому во избежание потери информации считанную строку приходится тут же перезаписывать вновь. В зависимости от конструктивных особенностей эту миссию выполняет либо программист, либо контроллер памяти, либо сама микросхема памяти. Практически все современные микросхемы принадлежат к последней категории. Редко какая из них поручает эту обязанность контроллеру, и уж совсем ни когда перезапись не возлагается на программиста.
• Ввиду микроскопических размеров, а, следовательно, емкости конденсатора записанная на нем информация хранится крайне недолго, - буквально сотые, а то тысячные доли секунды. Причина тому - саморазряд конденсатора. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным удельным сопротивлением, заряд стекает очень быстро, ведь количество электронов, накопленных конденсатором на обкладках, относительно невелико. Для борьбы с "забывчивостью" памяти прибегают к ее регенерации - периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью..

 

 

 

 

Схематическое изображение модуля оперативной памяти (1); микросхемы памяти (2); матрицы (3) и отдельной ячейки памяти (4).

 

 

Conventional DRAM (Page Mode DRAM) - "обычная" DRAM 

 

• Изначально оперативная системная память устанавливалась в виде отдельных микросхем, которые, благодаря своей конструкции, получили название микросхем с двухрядным расположением выводов (Dual Inline Package DIP). Системные платы оригинальных систем IBM XT и АТ содержали до 36 разъемов, предназначенных для подключения микросхем памяти. В дальнейшем микросхемы памяти устанавливались на отдельных платах, которые, в свою очередь, подключались в разъемы шины. В первую очередь выделим среди них линии адреса и линии данных. Линии адреса, как и следует из их названия, служат для выбора адреса ячейки памяти, а линии данных - для чтения и для записи ее содержимого. Необходимый режим работы определяется состоянием специального вывода Write Enable (Разрешение Записи).
• Столбцы и строки матрицы памяти тем же самым способом совмещаются в единых адресных линиях. В случае квадратной матрицы количество адресных линий сокращается вдвое, но и выбор конкретной ячейки памяти отнимает вдвое больше тактов, ведь номера столбца и строки приходится передавать последовательно. Причем, возникает неоднозначность, что именно в данный момент находится на адресной линии: номер строки или номер столбца? Решение этой проблемы потребовало двух дополнительных выводов, сигнализирующих о наличии столбца или строки на адресных линиях и окрещенных RAS (от row address strobe - строб адреса строки) и CAS (от column address strobe - строб адреса столбца) соответственно.

 

 

• Задержка между подачей номера строки и номера столбца на техническом жаргоне называется "RAS to CAS delay" (на сухом официальном языке - tRCD). Задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки на выходе - "CAS delay" (или tCAC), а задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки - "RAS precharge" (tRP). Здесь и далее будут использоваться исключительно жаргонизмы - они более наглядны и к тому же созвучны соответствующим настойкам BIOS, что упрощает восприятие материала неподготовленными читателями.
• В микросхемах памяти, выпускаемых вплоть до середины девяностых, все три задержки (RAS to CAS Delay, CAS Delay и RAS precharge) в сумме составляли порядка 200 нс., что соответствовало двум тактам в 10 мегагерцовой системе и, соответственно, двенадцати - в 60 мегагерцовой. С появлением Intel Pentium 60 (1993 год) и Intel 486DX4 100 (1994 год) возникла потребность в совершенствовании динамической памяти - прежнее быстродействие уже никого не устраивало.

 

 

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) 
быстрая страничная память

 

• FPM-DRAM - Fast-Page Mode DRAM (Память быстрого страничного режима), разработанная в 1995 году. Основным отличием от памяти предыдущего поколения стала поддержка сокращенных адресов. Если очередная запрашиваемая ячейка находится в той же самой строке, что и предыдущая, ее адрес однозначно определяется одним лишь номером столбца и передача номера строки уже не требуется.
• При последовательном чтении ячеек памяти, (равно как и обработке компактных одно-двух килобайтовых структур данных), время доступа сокращается на 40%.
• Правда, хаотичное обращение к памяти, равно как и перекрестные запросы ячеек из различных страниц, не могут воспользоваться преимуществами передачи сокращенных адресов и работают с FPM-DRAM в режиме обычной DRAM.

 

 

• Поскольку, величины RAS to CAS Delay, CAS Delay и RAS precharge непосредственно не связаны друг с другом и в принципе могут принимать любые значения, достоверная оценка производительность микросхемы требует для своего выражения как минимум трех чисел. Однако производители микросхем в стремлении приукрасить реальные показатели, проводят только два: RAS to CAS Delay + CAS Delay и CAS Delay. Первое (называемое так же "временем [полного] доступа") характеризует время доступа к произвольной ячейке, а второе (называемое так же "временем рабочего цикла") - время доступа к последующим ячейкам уже открытой строки. Время, необходимое для регенерации микросхемы (т.е. RAS precharge) из полного времени доступа исключено.

 

 

EDO-DRAM (Extended Data Out) 
память с усовершенствованным выходом

 

• В новом тип микросхем оснастили специальным триггером-защелкой, удерживающим линии данных после исчезновения сигнала CAS,  CAS дезактивируется в процессе чтения данных параллельно с перезарядкой внутренних цепей, благодаря чему номер следующего столбца может подаваться до завершения считывания линий данных. Продолжительность рабочего цикла EDO-DRAM (в зависимости от качества микросхемы) составляла 30, 25 и 20 нс., что соответствовало всего двум тактам в 66 МГц системе.

 

 

 

                                                                                                                                                

Временная диаграмма, иллюстрирующая работу некоторых типов памяти

 

 

BEDO (Burst EDO) - пакетная EDO RAM

 

• Двукратное увеличение производительности было достигнуто лишь в BEDO-DRAM (Burst EDO). Добавив в микросхему генератор номера столбца, конструкторы ликвидировали задержку CAS Delay, сократив время цикла до 15 нс. После обращения к произвольной ячейке микросхема BEDO автоматически, без указаний со стороны контроллера, увеличивает номер столбца на единицу, не требуя его явной передачи. По причине ограниченной разрядности адресного счетчика (конструкторы отвели под него всего лишь два бита) максимальная длина пакета не могла превышать четырех ячеек (22=4).
• Все же, несмотря на свои скоростные показатели, BEDO оказалась не конкурентоспособной и не получила практически никакого распространения. Просчет состоял в том, что BEDO, как и все ее предшественники, оставалась асинхронной памятью. Это накладывало жесткие ограничения на максимально достижимую тактовую частоту, ограниченную 60 - 66 (75) мегагерцами.

 

 

SDRAM (Synchronous DRAM) - синхронная DRAM

 

• Появление микропроцессоров с шинами на 100 MHz привело к радикальному пересмотру механизма управления памятью, и подтолкнуло конструкторов к созданию синхронной динамической памяти - SDRAM (Synchronous-DRAM). Как и следует из ее названия, микросхемы SDRAM памяти работают синхронно с контроллером, что гарантирует завершение цикла в строго заданный срок. Кроме того, номера строк и столбцов подаются одновременно, с таким расчетом, чтобы к приходу следующего тактового импульса сигналы уже успели стабилизироваться и были готовы к считыванию.
• Так же, в SDRAM реализован усовершенствованный пакетный режим обмена. Контроллер может запросить как одну, так и несколько последовательных ячеек памяти, а при желании - всю строку целиком! Это стало возможным благодаря использованию полноразрядного адресного счетчика уже не ограниченного, как в BEDO, двумя битами.

 

 

• Другое усовершенствование. Количество матриц (банков) памяти в SDRAM увеличено с одного до двух (а, в некоторых моделях, и четырех). Это позволяет обращаться к ячейкам одного банка параллельно с перезарядкой внутренних цепей другого, что вдвое увеличивает предельно допустимую тактовую частоту. Помимо этого появилась возможность одновременного открытия двух (четырех) страниц памяти, причем открытие одной страницы (т.е. передача номера строки) может происходить во время считывания информации с другой, что позволяет обращаться по новому адресу столбца ячейки памяти на каждом тактовом цикле.
• В отличие от FPM-DRAM\EDO-DRAM\BEDO, выполняющих перезарядку внутренних цепей при закрытии страницы (т.е. при дезактивации сигнала RAS), синхронная память проделывает эту операцию автоматически, позволяя держать страницы открытыми столь долго, сколько это угодно.

 

 

                                                                                                                                         

Временная диаграмма, иллюстрирующая работу современных типов памяти

 

 

DDR SDRAM, SDRAM II (Double Data Rate SDRAM) 
SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных

 

• Развитие синхронной памяти привело к появлению DDR-SDRAM - Double Data Rate SDRAM (SDRAM удвоенной скорости передачи данных). Удвоение скорости достигается за счет передачи данных и по фронту, и по спаду тактового импульса (в SDRAM передача данных осуществляется только по фронту). Благодаря этому эффективная частота увеличивается в два раза - 100 MHz DDR-SDRAM по своей производительности эквивалента 200 MHz SDRAM.
• Претерпела изменения и конструкция управления матрицами (банками) памяти. Во-первых, количество банков увеличилось с двух до четырех, а, во-вторых, каждый банк обзавелся персональным контроллером, в результате чего вместо одной микросхемы мы получили как бы четыре, работающих независимо друг от друга. Соответственно, максимальное количество ячеек, обрабатываемых за один такт, возросло с одной до четырех.

 

 

 

RDRAM (Rambus DRAM) - Rambus-память

 

С DDR-SDRAM жесточайше конкурирует Direct RDRAM, разработанная компанией Rambus. Основных отличий от памяти предыдущих поколений всего три: