Пам'ять типа rom

У пам'яті типа ROM (Read Only Memory), або ПЗП, дані можна тільки зберігати, змінювати їх не можна. Саме тому така пам'ять використовується тільки для читання даних. ROM також часто називається незалежною пам'яттю, тому що будь-які дані, записані в неї, зберігаються при виключенні живлення. Тому в ROM поміщаються команди запуску персонального комп'ютера, тобто програмне забезпечення, яке завантажує систему.

Помітьте, що ROM і оперативна пам'ять — не протилежні поняття. Насправді ROM є частиною оперативної пам'яті системи. Іншими словами, частина адресного простору оперативної пам'яті відводиться для ROM. Це необхідно для зберігання програмного забезпечення, яке дозволяє завантажити операційну систему.

Основний код BIOS міститься в мікросхемі ROM на системній платі, але на плати адаптерів також є аналогічні мікросхеми. Вони містять допоміжні підпрограми базової системи вводу-виводу і драйвери, необхідні для конкретної плати, особливо для тієї плати, яка повинна бути активізовані на ранньому етапі початкового завантаження, наприклад відеоадаптер. Плата, не потребуюча в драйверах на ранньому етапі початкового завантаження, звичайно не має ROM, тому що їх драйвери можуть бути завантажені з жорсткого диска пізніше — в процесі початкового завантаження.

В даний час в більшості систем використовується одна з форм Rash-пам'яті, яка називається електронно-перепрограміруємою постійною пам'яттю (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory— EEPROM). Rash-пам'ять є по-справжньому незалежною і перезаписуваною, вона дозволяє користувачам легко модифікувати ROM, програмно-апаратні засоби системної плати і інших компонентів (таких, як відеоадаптери, плата SCSI, периферійні пристрої і т.п.).

Пам'ять типа dram

Динамічна оперативна пам'ять (Dynamic RAM — DRAM) використовується в більшості систем оперативної пам'яті сучасних персональних комп'ютерів. Основна перевага пам'яті цього типу полягає у тому, що її комірки упаковані дуже щільно, тобто в невелику мікросхему можна упакувати багато бітів, а значить, на їх основі можна побудувати пам'ять великої ємності.

Елементи пам'яті в мікросхемі DRAM — це крихітні конденсатори, які утримують заряди. Саме так (наявністю або відсутністю зарядів) і кодуються біти. Проблеми, пов'язані з пам'яттю цього типу, викликані тим, що вона динамічна, тобто повинна постійно регенеруватися, оскільки інакше електричні заряди в конденсаторах пам'яті "стікатимуть" і дані будуть втрачені. Регенерація відбувається, коли контроллер пам'яті системи бере крихітну перерву і звертається до всіх рядків даних в мікросхемах пам'яті. Більшість систем має контроллер пам'яті (звичайно вбудовуваний в набір мікросхем системної плати), який налаштований на відповідну промисловим стандартам частоту регенерації, рівну 15 мкс. До всіх рядків даних обіг здійснюється після проходження 128 спеціальних циклів регенерації. Це означає, що кожні 1,92 мс (128x15 мкс) прочитуються всі рядки в пам'яті для забезпечення регенерації даних.

Регенерація пам'яті, на жаль, віднімає час у процесора: кожен цикл регенерації по тривалості займає декілька циклів центрального процесора. У старих комп'ютерах цикли регенерації могли займати до 10% (або більше) процесорного часу, але в сучасних системах, що працюють на частотах, рівних сотням мегагерц, витрати на регенерацію складають 1% (або менше) процесорного часу. Деякі системи дозволяють змінити параметри регенерації за допомогою програми установки параметрів CMOS, але збільшення часу між циклами регенерації може привести до того, що в деяких елементах пам'яті заряд стече, а це викличе збої пам'яті. В більшості випадків надійніше дотримуватися рекомендованої або заданої за змовчуванням частоти регенерації. Оскільки витрати на регенерацію в сучасних комп'ютерах складають менше 1%, зміна частоти регенерації робить незначний вплив на характеристики комп'ютера.

У пристроях DRAM для зберігання одного біта використовується тільки один транзистор і пара конденсаторів, тому вони більш місткі, ніж мікросхеми інших типів пам'яті. В даний час є мікросхеми динамічної оперативної пам'яті місткістю 512 Мбайт і більше. Це означає, що подібні мікросхеми містять більше 256 млн. транзисторів! Адже Pentium 4 має тільки 42 млн. транзисторів. Звідки така різниця? Річ у тому, що в мікросхемі пам'яті всі транзистори і конденсатори розміщуються послідовно, звично у вузлах квадратних решіток, у вигляді дуже простих, періодично повторюваних структур, на відміну від процесора, що є складнішою схемою різних структур, що не має чіткої організації.

Транзистор для кожного однорозрядного регістра DRAM використовується для читання стану суміжного конденсатора. Якщо конденсатор заряджений, в комірці записана 1; якщо заряду немає — записаний 0. Заряди в крихітних конденсаторах весь час стікають, от чому пам'ять повинна постійно регенеруватися. Навіть миттєве переривання подачі живлення або який-небудь збій в циклах регенерації приведе до втрати заряду в комірці DRAM, а отже, і до втрати даних.

Динамічна оперативна пам'ять використовується в персональних комп'ютерах; оскільки вона недорога, мікросхеми можуть бути щільно упаковані, а це означає, що запам'ятовуючий пристрій великої ємності може займати невеликий простір. На жаль, пам'ять цього типу не відрізняється високою швидкодією, звичайно вона набагато "повільніша" за процесор. Тому існує безліч різних типів організації DRAM, дозволяючих поліпшити цю характеристику.

Кеш-пам'ять — SRAM

Існує тип пам'яті, досконало відмінний від інших, — статична оперативна пам'ять (Static RAM — SRAM). Вона названа так тому, що, на відміну від динамічної оперативної пам'яті (DRAM), для збереження її вмісту не вимагається періодичної регенерації. Але це не єдина її перевага. SRAM має вищу швидкодію, ніж динамічна оперативна пам'ять, і може працювати на тій же частоті, що і сучасні процесори.

Час доступу SRAM не більш 2 нс; це означає, що така пам'ять може працювати синхронно з процесорами. Проте для зберігання кожного біта в конструкції SRAM використовується кластер з шести транзисторів. Використання транзисторів без яких-небудь конденсаторів означає, що немає необхідності в регенерації. (Адже якщо немає ніяких конденсаторів, то і заряди не втрачаються.) Поки подається живлення, SRAM пам'ятатиме те, що збережене. Чому ж тоді мікросхеми SRAM не використовуються для всієї системної пам'яті? Відповідь можна знайти в наступній таблиці.

Тип	Швидкодія	Густина	Вартість
Динамічна оперативна пам'ять DRAM	Низьке	Висока	Низька
Статична оперативна пам’ять SRAM	Високе	Низька	Висока

В порівнянні з динамічною оперативною пам'яттю швидкодія SRAM набагато вища, але густина її набагато нижча, а ціна досить висока. Нижча густина означає, що мікросхеми SRAM мають великі габарити, хоча їх інформаційна місткість набагато менше. Велике число транзисторів і кластеризоване їх розміщення не тільки збільшує габарити мікросхем SRAM, але і значно підвищує вартість технологічного процесу в порівнянні з аналогічними параметрами для мікросхем DRAM. Наприклад, місткість модуля DRAM може дорівнювати 64 Мбайт або більше, тоді як місткість модуля SRAM приблизно того ж розміру складає тільки 2 Мбайт, причому їх вартість буде однаковою. Таким чином, габарити SRAM в середньому в 30 разів перевищують розмір динамічної оперативної пам'яті, те ж саме можна сказати і про вартість. Все це не дозволяє використовувати SRAM як оперативної пам'яті в персональних комп'ютерах.

Не дивлячись на це, розробники все-таки застосовують пам'ять типа SRAM для підвищення ефективності PC. Але щоб уникнути значного збільшення вартості встановлюється тільки невеликий об'єм високошвидкісної SRAM, яка використовується як кеш-пам'ять. Кеш пам’ять працює на тактових частотах, близьких або навіть рівних тактовим частотам процесора, причому звичайно саме ця пам'ять безпосередньо використовується процесором при читанні і записі. Під час операцій читання дані у високошвидкісну кеш-пам'ять заздалегідь записуються з оперативної пам'яті з низькою швидкодією, тобто з DRAM.

Ще недавно час доступу динамічної оперативної пам'яті був не менше 60 нс (що відповідають тактовій частоті 16 Мгц). Коли процесор персонального комп'ютера працював на тактовій частоті 16 Мгц і нижче, DRAM могла бути синхронізована з системною платою і процесором, тому кеш був не потрібен. Проте, як тільки тактова частота процесора піднялася вище 16 Мгц, синхронізувати DRAM з процесором стало неможливо, і саме тоді розробники почали використовувати SRAM в персональних комп'ютерах. Це відбулося в 1986 і 1987 роках, коли з'явилися PC з процесором 386, працюючим на частотах 16 і 20 Мгц. Саме в цих персональних комп'ютерах вперше знайшла застосування так звана кеш-пам'ять, тобто високошвидкісний буфер, побудований на мікросхемах SRAM, який безпосередньо обмінюється даними з процесором. Оскільки швидкодія кеша може бути порівнянне з швидкодією процесора, контроллер кеша може передбачати потреби процесора в даних і заздалегідь завантажувати необхідні дані у високошвидкісну кеш-пам'ять. Тоді при видачі процесором адреси пам'яті дані можуть бути передані з високошвидкісного кеша, а не з оперативної пам'яті, швидкодія якої набагато нижча.

Ефективність кеш-пам'яті виражається коефіцієнтом збігу, або коефіцієнтом успіху. Коефіцієнт збігу рівний відношенню кількості вдалого обігу в кеш до загальної кількості обігу. Попадання — це подія, що полягає у тому, що необхідні процесору дані заздалегідь прочитуються в кеш з оперативної пам'яті; інакше кажучи, у разі попадання процесор може прочитувати дані з кеш-пам'яті. Невдалим обігом в кеш вважається таке, при якому контроллер кеша не передбачив потреби в даних, що знаходяться за вказаною абсолютною адресою. У такому разі необхідні дані не були заздалегідь подані в кеш-пам'ять, тому процесор повинен відшукати їх в повільнішій оперативній пам'яті, а не в швидкодійному кеші. Коли процесор прочитує дані з оперативної пам'яті, йому доводиться якийсь час "чекати", оскільки тактова частота оперативної пам'яті значно нижче, ніж процесора. Якщо процесор працює на частоті 233 Мгц, то тривалість його циклу рівна приблизно 4 нс, тоді як тривалість циклу оперативної пам'яті може складати 60 нс, що відповідають тактовій частоті 16 Мгц. Таким чином, кожного разу, коли процесор прочитує дані з оперативної пам'яті, його робота сповільнюється. Це настільки відчутно, що здається, ніби він працює на тактовій частоті 16 Мгц! Уповільнення обумовлене станом очікування. Якщо процесор знаходиться в стані очікування, то впродовж всього циклу (такту) ніякі операції не виконуються; процесор, по суті, чекає, поки необхідні дані поступлять з повільнішої оперативної пам'яті. Тому саме кеш-пам'ять дозволяє скоротити кількість "простоїв" і збільшити швидкодію комп'ютера в цілому.

Щоб мінімізувати час очікування при прочитуванні процесором даних з повільної оперативної пам'яті, в сучасних персональних комп'ютерах звичайно передбачені два типи кеш-пам'яті: кеш-пам'ять першого рівня (L1) і кеш-пам'ять другого рівня (L2). Кеш пам’ять першого рівня також називається вбудованим або внутрішнім кешем; він безпосередньо вбудований в процесор і фактично є частиною мікросхеми процесора. У всіх процесорах 486 і вище кеш-пам'ять першого рівня інтегрована в мікросхему процесора.

Кеш-пам'ять другого рівня називається вторинним або зовнішнім кешем; він встановлюється поза мікросхемою процесора. Спочатку вона встановлювалася на системній плати. (Так було у всіх комп'ютерах на основі процесорів 386, 486 і Pentium.) Якщо кеш-пам'ять другого рівня встановлена на системній платі, то вона працює на її частоті. В цьому випадку кеш-пам'ять другого рівня звичайно знаходиться поряд з роз'ємом процесора.

Для підвищення ефективності в пізніших комп'ютерах на основі процесорів Pentium Pro, Pentium II/III і Athlon кеш-пам'ять другого рівня є частиною процесора. Звичайно ж, він зовнішній по відношенню до кристала центрального процесора, просто ця окрема мікросхема встановлюється усередині корпусу (картріджа) процесора. Тому на системній платі для процесорів Pentium Pro або Pentium II немає ніякого кеша. У останніх моделях процесорів Pentium Ш і Athlon кеш-пам'ять другого рівня є частиною мікросхеми процесора (подібно кеш-пам'яті першого рівня) і працює на вищих частотах (на частоті процесора, половинної або третини). У процесорах Itanium для збільшення продуктивності використовується три рівні кеш-пам'яті.