Оперативная память компьютера

Недостатком можно посчитать придуманные производителем режимы управления питанием модулей. Если напряжение питания 2,5 В стало практически стандартом для всех новых технологий памяти DRAM, то режимы работы Асtive (активный), Standby (ожидания), NAP ("спящий") и PowerDown (отключение питания) - собственное изобретение Rambus. Самое интересное, что микросхема, не обменивающаяся в текущий момент данными с контроллером, автоматически переводится в режим ожидания, иначе возможен перегрев системы, так как тактовые частоты весьма высоки. На переключение же из режима Standby в активное состояние требуется 100 нс.

Хочется отметить, что реальная пропускная способность RDRAM существенно ниже заявленных Rambus значений. После появления системного набора Intel 820 с поддержкой DR DRAM были проведены сравнительные тесты с другими типами памяти. Оказалось, что на большинстве реальных задач RDRAM уступает даже SDRАМ, работающим на частоте 133 МГц. В значительной мере это объясняют более узкой шиной данных канала Rambus (16 бит) по сравнению с 64-битной шиной SDРАМ. С появлением чипсета VIА Ароllo Рго2бб, поддерживающего DDR DRАМ, картина для Rambus и Intel становится вовсе безрадостной.

2.2  Память типа SRAM

Существует тип памяти, совершенно отличный от других - статическая оперативная память (Static RAM – SRAM). Она названа так потому, что, в отличии от динамической оперативной памяти, для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры.

Время доступа SRAM не более 2 нс, это означает, что такая память может работать синхронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из 6 транзисторов. Использование транзисторов, без каких либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено.

Рис.2.2.1 Ячейка SRAM

Микросхемы SRAM не используются для всей системной памяти потому, что по сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее намного ниже, а цена довольно высокая. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластиризованное их размещение не только увеличивает габариты SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM.

Несмотря на это, разработчики все-таки применяют память типа SRAM для повышения эффективности РС. Но во избежание значительного увеличения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной памяти SRAM, которая используется в качестве кэш-памяти. Кэш-память работает на тактовых частотах, близких или даже равных тактовым частотам процессора, причем обычно именно эта память используется процессором при чтении и записи.

В переводе слово «cache» (кэш) означает «тайный склад», «тайник» («занач­ка»). Тайна этого склада заключается в его «прозрачности» — адресуемой облас­ти памяти для программы он не добавляет. Кэш является дополнительным быс­тродействующим хранилищем копий блоков информации из основной памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Кэш не может хранить копию всей основной памяти, поскольку его объем во много раз меньше объема основной памяти. Он хранит лишь ограниченное количество блоков дан­ных и каталог (cache directory) — список их текущего соответствия областям основной памяти. Кроме того, кэшироваться может и не вся оперативная па­мять, доступная процессору: во-первых, из-за технических ограничений может быть ограничен максимальный объем кэшируемой памяти; во-вторых, некото­рые области памяти могут быть объявлены некэшируемыми (настройкой регис­тров чипсета или процессора). Если установлено оперативной памяти больше, чем возможно кэшировать, обращение к некэшируемой области ОЗУ будет мед­ленным. Таким образом, увеличение объема ОЗУ, теоретически всегда благотвор­но влияющее на производительность, может снизить скорость работы опреде­ленных компонентов, попавших в некэшируемую память. В ОС Windows память распределяется, начиная с верхних адресов физической памяти, в результате чего в некэшируемую область может попасть ядро ОС.

При каждом обращении к памяти контроллер кэш-памяти по каталогу про­веряет, есть ли действительная копия затребованных данных в кэше. Если она там есть, то это случай кэш-попадания (cache hit) и данные берутся из кэш­памяти. Если действительной копии там нет, это случай кэш-промаха (cache miss), и данные берутся из основной памяти. В соответствии с алгоритмом кэ­ширования блок данных, считанный из основной памяти, при определенных условиях заместит один из блоков кэша. От интеллектуальности алгоритма за­мещения зависит процент попаданий и, следовательно, эффективность кэши­рования. Поиск блока в списке должен производиться достаточно быстро, что­бы «задумчивостью» в принятии решения не свести на нет выигрыш от приме­нения быстродействующей памяти. Обращение к основной памяти может на­чинаться одновременно с поиском в каталоге, а в случае попадания — преры­ваться (архитектура Look aside). Это экономит время, но лишние обращения к основной памяти ведут к увеличению энергопотребления. Другой вариант: об­ращение к основной памяти начинается только после фиксации промаха (ар­хитектура Look Through), при этом теряется, по крайней мере, один такт про­цессора, зато экономится энергия.

Кэш в современных компьютерах строится по двухуровневой, а иногда и трех­уровневой схеме.

Первичный кэш, или L1 Cache (Level 1 Cache), — кэш 1 уровня, внутрен­ний (Internal, Integrated) кэш процессоров класса 486 и выше, а также не­которых моделей 386.

Вторичный кэш, или L2 Cache (Level 2 Cache), — кэш 2 уровня. Для про­цессоров вплоть до Pentium (и аналогичных) это внешний (External) кэш, установленный на системной плате. В Р6 и более мощных процессорах вторичный кэш расположен в одном корпусе с процессором, и для таких процессоров дополнительный кэш на системную плату уже не устанавли­вается.

Кэшем третьего уровня оказывается кэш, установленный на системной плате с сокетом 7, когда в него устанавливают процессор AMD K6-3, обла­дающий встроенным двухуровневым кэшем.

Объем первичного кэша невелик (8-128 Кбайт); чтобы повысить его эффек­тивность, для данных и команд часто используется раздельный кэш (так называ­емая Гарвардская архитектура — противоположность Принстонской с общей па­мятью для команд и данных). В процессорах Pentium 4 первичный кэш устроен уже иначе.

Кэш-контроллер должен обеспечивать когерентность (coherency) — согласо­ванность данных кэш-памяти обоих уровней с данными в основной памяти при том условии, что обращение к этим данным может производиться не только про­цессором, но и другими активными (bus-master) адаптерами, подключенными к шинам (PCI, VLB, ISA и т. д.). Следует также учесть, что процессоров может быть несколько, и у каждого может быть свой внутренний кэш.

Контроллер кэша оперирует строками (cache line) фиксированной длины. Строка может хранить копию блока основной памяти, размер которого, естествен­но, совпадает с длиной строки. С каждой строкой кэша связана информация об адресе скопированного в нее блока основной памяти и ее состоянии. Строка мо­жет быть действительной (valid) — это означает, что в текущий момент времени она достоверно отражает соответствующий блок основной памяти, или недей­ствительной. Информация о том, какой именно блок занимает данную строку (то есть старшая часть адреса или номер страницы) и о ее состоянии, называется тегом (tag) и хранится в связанной с данной строкой ячейке специальной памя­ти тегов (tag RAM). В операциях обмена с основной памятью обычно строка участвует целиком (несекторированный кэш), для процессоров 486 и выше дли­на строки совпадает с объемом данных, передаваемых за один пакетный цикл (для 486 — это 4x4 = 16 байт, для Pentium — 4 х 8 = 32 байт). Возможен и ва­риант секторированного (sectored) кэша, при котором одна строка содержит не­сколько смежных ячеек — секторов, размер которых соответствует минималь­ной порции обмена данных кэша с основной памятью. При этом в записи ката­лога, соответствующей каждой строке, должны храниться биты действительности для каждого сектора данной строки. Секторирование позволяет экономить память, необходимую для хранения каталога при увеличении объема кэша, поскольку большее количество бит каталога отводится под тег и выгоднее исполь­зовать дополнительные биты действительности, чем увеличивать глубину индекса (количество элементов) каталога.

SRAM различается по принципу работы. Существует три типа:

1.    Async SRAM (Asynchronous Static Random Access Memory) - асинхронная статическая память с произвольным порядком выборки;

2.    SyncBurst SRAM (Synchronous Burst Random Access Memory) – синхронная пакетная статическая память с произвольным порядком выборки;

3.    PipBurst SRAM (Pipelined Burst Random Access Memory) – конвейерная пакетная статическая память с произвольным порядком выборки;

Async SRAM – это устаревший тип памяти, асинхронный интерфейс которой схож с интерфейсом DRAM и включает в себя шины адреса, данных и управления. SyncBurst SRAM – этот тип памяти синхронизирован с системной шиной и лучше всего подходит для выполнения пакетных операций. Ну а интерфейс PipBurst SRAM схож с интерфейсом SyncBurst SRAM, но позволяет получать данные без тактов ожидания.

Глава 3.  Разъёмы

3.1     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.3.1.1  Стандартный DIP-корпус

Микросхемы 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 хранени 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.

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.

3.2     SIPP

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

Рис.3.2.1  Стандартный SIPP-корпус

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.

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.

3.3 SIMM, DIMM и RIMM

В большинстве современных компьютеров вместо отдельных микросхем памяти используются модули SIMM или DIMM, представляющие собой небольшие платы, которые устанавливаются в специальные разъемы на системной плате или плате памяти. Отдельные микросхемы так припаены к плате модуля SIMM или DIMM, что выпаить и заменить их практически невозможно. При появлении неисправности приходится заменять весь модуль. По существу, модуль SIMM или DIMM можно считать одной большой микросхемой.

В РС совместимых компьютерах применяются в основном два типа модулей SIMM: 30-контактные (9разрядов) и 72-контактные (36 разрядов). Первые из них меньше по размерам. Микросхемы в модулях SIMM могут устанавливаться как на одной, так и на обеих сторонах платы. Использование 30-контактных модулей неэффективно, поскольку для заполнения одного банка памяти новых 64-разрядных систем требуется восемь таких модулей.

72-пиновые разъемы SIMM ожидает та же участь, которая несколькими годами раньше постигла их 30-пиновых предшественников: те уже давно не производятся. Им на смену в 1996 г. пришел новый разъем DIMM со 168 контактами, а после и разъем RIMM. Если на SIMM реализовывались FPM и EDO RAM, то на DIMM более современная технология SDRAM. В системную плату модули SIMM необходимо было вставлять только попарно, а DIMM можно выбрать по одному, что связано с разрядностью внешней шины данных процессоров Pentium. Такой способ установки предоставляет больше возможностей для варьирования объема оперативной памяти.

Первоначально материнские платы поддерживали оба разъема, но уже довольно продолжительное время они комплектуются исключительно разъемами DIMM. Это связано с упомянутой возможностью устанавливать их по одному модулю и тем, что SDRAM обладает большим быстродействием по сравнению с FPM и EDORAM.