Оперативная память компьютера

Оглавление

Введение

Оперативная память является одним из важнейших элементов компьютера. Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название  «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память.

Оперативная память  - это энергозависимая среда, в которую загружаются и в которой находятся прикладные программы и данные в момент, пока с ними работают. Когда работа закончена, информация удаляется из оперативной памяти. Если необходимо обновление соответствующих дисковых данных, они перезаписываются. Это может происходить автоматически, но часто требует команды от пользователя. При выключении компьютера вся информация из оперативной памяти теряется.

В связи с этим трудно недооценить все значение оперативной памяти. Однако до недавнего времени эта область компьютерной индустрии практически не развивалась (по сравнению с другими направлениями). Взять хотя бы видео-, аудиоподсистемы, производительность процессоров и. т. д. Усовершенствования были, но они не соответствовали темпам развития других компонентов и касались лишь таких параметров, как время выборки, был добавлен кэш непосредственно на модуль памяти, конвейерное исполнение запроса, изменен управляющий сигнал вывода данных, но технология производства оставалась прежней, исчерпавшей свой ресурс. Память становилась узким местом компьютера, а, как известно, быстродействие всей системы определяется быстродействием самого медленного ее элемента. И вот несколько лет назад волна технологического бума докатилась и до оперативной памяти. Быстрое усовершенствование оперативной памяти позволило кроме ее усовершенствования, значительно снизить цену на нее.

Хотя память значительно подешевела, модернизировать приходится ее намного чаще, чем несколько лет назад. В настоящее время новые типы памяти разрабатываются намного быстрее, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет устанавливать память нового типа, как никогда велика.

От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит возможность, какими программами вы сможете на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно.

Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (Random Access Memory), то есть память с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в памяти. Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором.

Полупроводниковая оперативная память в настоящее время делится на статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM).

Классификация ОЗУ

Глава 1. Как работает память?

1.1      Элементная база логики.

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. 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).

1.         РТЛ —резистивно-транзисторна логика. Исторически является первой элементной 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 инжекторная логика. Это разновидность ТТЛ, базовым элементом которой являются не биполярные транзисторы одного рода (pnp или npn), а горизонтально расположенного pnp 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 эмитерными 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.         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 . При прочих равных условиях логика на полевых транзисторах более медленная, но обладает меньшим электропотреблением и меньшей стоимостью.

1.2      Быстродействие и производительность памяти

Быстродействие памяти определяется временем выполнения операций записи и считывания данных. Основными параметрами любых элементов памяти являет­ся минимальное время доступа и длительность цикла обращения. Время досту­па (access time) определяется как задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения. Длительность цикла опре­деляется как минимальный период следующих друг за другом обращений к па­мяти, причем циклы чтения и записи могут требовать различных затрат време­ни. В цикл обращения кроме активной фазы самого доступа входит и фаза вос­становления (возврата памяти к исходному состоянию), которая соизмерима по времени с активной фазой. Временные характеристики самих запоминающих элементов определяются их принципом действия и используемой технологией изготовления.

Производительность памяти можно характеризовать как скорость потока за­писываемых или считываемых данных и измерять в мегабайтах в секунду. Про­изводительность подсистемы памяти наравне с производительностью процессо­ра существенным образом определяет производительность компьютера. Выпол­няя определенный фрагмент программы, процессору придется, во-первых, загру­зить из памяти соответствующий программный код, а во-вторых, произвести тре­буемые обмены данными, и чем меньше времени потребуется подсистеме памя­ти на обеспечение этих операций, тем лучше.

Производительность памяти, как основной, так и кэша второго уровня, обычно характеризуют длительностью пакетных циклов чтения (Memory Burst Read Cycle). Пакетный режим обращения является основным для процессоров, использующих кэш (486 и выше); циклы чтения выполняются гораздо чаще, чем циклы записи (хотя бы потому, что процессору приходится все время считывать инструкции из памяти). Эта длительность выражается в числе тактов системной шины, требуемых для передачи очередной порции данных в пакете. Обозначение вида 5-3-3-3 для диаграммы пакетного цикла чтения соответствует пяти тактам на считывание первого элемента в цикле и трем тактам на считывание каждого из трех последующих элементов. Первое число характеризует латентность (latency) памяти — время ожидания данных, последующие — скорость передачи. При этом, конечно же, оговаривается и частота системной шины. По нынешним меркам хо­рошим результатом является цикл 5-1-1-1 для частоты шины 100 или 133 МГц. Однако для процессоров Pentium 4, у которых за каждый такт синхронизации си­стемной шины передается по четыре 64-битных слова данных, возможно, будет иной способ выражения производительности памяти.

Производительность подсистемы памяти зависит от типа и быстродействия применяемых запоминающих элементов, разрядности шины памяти и некото­рых «хитростей» архитектуры.

Разрядность шины памяти — это количество байт (или бит), с которыми опе­рация чтения или записи может быть выполнена одновременно. Разрядность ос­новной памяти обычно согласуется с разрядностью внешней шины процессора (1 байт - для 8088; 2 байта - для 8086, 80286, 3865Х; 4 байта - для 386DХ, 486; 8 байт — для Pentium и выше). Вполне очевидно, что при одинаковом быст­родействии микросхем или модулей памяти производительность блока с боль­шей разрядностью будет выше, чем у малоразрядного. Именно с целью повыше­ния производительности у 32-битных (по внутренним регистрам) процессоров Реntium и выше внешняя шина, связывающая процессор с памятью, имеет раз­рядность 64 бита. Желание производителей процессоров и системных плат сэко­номить на разрядности памяти всегда приводит к снижению производительнос­ти: компьютеры на процессорах с полноразрядной шиной (8086, 386DХ) более чем на 50 % обгоняют своих «младших братьев» (8088, 3865Х) при одинаковой тактовой частоте. Одно время выпускались чипсеты, работающие с 32-битной памятью даже для Pentium, но эффективность подобной экономии сомнительна.

Банком памяти называют комплект микросхем или модулей (а также их по­садочных мест — «кроваток» для микросхем, слотов для SIММ или DIMM), обес­печивающий требуемую для данной системы разрядность хранимых данных. Ра­ботоспособным может быть только полностью заполненный банк. Внутри одно­го банка практически всегда должны применяться одинаковые (по типу и объе­му) элементы памяти.

В компьютерах на 486-х процессорах банком является один SIMM-72 или чет­верка SIMM-30. В компьютерах на процессорах 5-6 (а для АМD и 7-го) поколе­ний банком может быть пара SIMM-72 или один модуль DIMM или RIММ (эти модули могут содержать и несколько банков). На платы с чипсетом i850 для процессора Pentium 4 требуется установка пар RIMM (чтобы обеспе­чить производительность памяти, достойную новой микроархитектуры).

Если устанавливаемый объем памяти набирается несколькими банками, по­является резерв повышения производительности за счет чередования банков (bank interleaving). Идея чередования заключается в том, что смежные блоки данных (разрядность такого блока данных соответствует разрядности банка) располага­ются поочередно в разных банках. Тогда при весьма вероятном последователь­ном обращении к данным банки будут работать поочередно, причем активная фаза обращения к одному банку может выполняться во время фазы восстанов­ления другого банка, то есть применительно к обоим банкам не будет простоя во время фазы восстановления. Частота передачи данных в системе с чередованием двух банков может быть удвоенной по отношению к максимальной частоте paботы отдельного банка. Для реализации чередования чипсет должен обеспечивать возможность перекоммутации адресных линий памяти в зависимости от установленного количества банков и иметь для них (банков) раздельные линии управляющих сигналов. Чем больше банков участвуют в чередовании, тем выше (теоретически) предельная производительность. Чаще всего используется чередование двух или трех банков (two way interleaving, three way interleaving). В чередовании может участвовать и большее число банков. Из разбиения на мелкие банки можно извлечь и другую выгоду. Поскольку современные процессоры; способны параллельно выставлять несколько запросов на транзакции с памятью, скрытые фазы обработки запросов, обусловленные необходимым временем доступа, относящихся к разным банкам, могут выполняться одновременно.