8.3 Регістрова пам’ять

Регістрова пам’ять (надоператйвна пам'ять) - це набір програмно-доступних ре­гістрів, які знаходяться в регістровій пам'яті процесора. В сучасних процесорах регі­стровий файл займає одне з центральних місць. Він використовується для локального збереження операндів, адрес команд та даних, індексів, а також дозволяє організовува­ти ефективний обмін даними між операційними пристроями процесора та основною пам'яттю. Вибір ефективної організації регістрового файла є одним із підходів, що до­зволяє підвищити продуктивність комп'ютера. Як правило, організація регістрового файла належить до технічних характеристик комп'ютера.

Рис.8.4

8.4. Оперативна пам'ять

Оперативна пам'ять (ОП) є одним з основних пристроїв будь-якої обчислювальної машини. Вона значною мірою обумовлює ефективність і швидкодію всієї системи. Параметри ОП такі, як об’єм, швидкодія, вважаються одними з найважніших характеристик комп’ютера.

Основна оперативна пам'ять (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) або RAM (Random Access Memory) є пам’яттю з прямим доступом, тобто з безпосередньою адресацією будь-якої комірки (ячейки) пам'яті.

Блок елементів пам'яті вдає з себе двомірну матрицю (строчки та стовпці), на перетинах яких розташовані елементи пам'яті одного розряду зберігаємих кодів. Решта розрядів набирається паралельним підключенням аналогічних матриць.

х – стовпці, у – строчки

Двійковий адрес комірки складається з коду х і коду у. Це конструктивно набагато економніше, аби ми робили адресацію одним лінійним кодом. Наприклад, в матриці на 256 комірок при лінійній адресації знаходилося б 256 ліній вибірки, а при двомірній – 16 х 16, тобто тільки 32 лінії.

Блок-схема управління оперативною пам'яттю дана на Рис.8.5.

Рис8.5

РА – регістр адреси

Рх, Ру – регістри адресів (координати х та у відповідно)

Дx, Дy – дешифратори адресів (стовпців і строк відповідно)

РД – регістр даних (запис і читання)

РУ – регістр управління, який виробляє сигнали для взаємодії всіх пристроїв

На Рис8.5 показана структура однорозрядної комірки пам’яті, що має одну лінію введення-виведення. Для того, щоб одержати багаторозрядну систему, треба застосувати n таких структур, як це показано на Рис8.6 для n=4.

Рис8.6

Таким чином, загальна ємність мікросхеми пам’яті дорівнює добутку глибини адресного простору на кількість матриць, або ліній введення-виведення. В нашому прикладі:

1 Мбайт * 4 = 4 Мбайта

Оперативна пам’ять енергозалежна, вона може працювати тільки при наявності напруги живлення. При вимиканні напруги інформація зникає. Але зате вона швидкодіюча. Швидкість звертання до неї (время доступа) в сотні тисяч раз менша ніж до пам'яті на магнітних дисках (6-7 нсек і 7-20 мсек відповідно)

Оперативна пам'ять буває двох типів в залежності від її фізичної реалізації: статична (SRAM) і динамічна (DRAM).Статична будується на тригерах, а динамічна використовує принцип зберігання електричного заряду на конденсаторах.

В динамических ЗУ (DRAM) данные хранятся в виде зарядов емкостей

МОП-структур и основой ЗЭ является просто конденсатор небольшой емкости.

Такой ЗЭ значительно проще триггерного, содержащего 6 транзисторов,

что позволяет разместить на кристалле намного больше ЗЭ (в 4...5 раз)

и обеспечивает динамическим ЗУ максимальную емкость. В то же время

конденсатор неизбежно теряет со временем свой заряд, и хранение данных

требует их периодической регенерации (через несколько миллисекунд).

На Рис.8.7 дана спрощена схема однієї комірки DRAM.

Рис. 8.7 ЛЗС – линия записи- считывания, ЛВ – линия выборки

Коли транзистор ввімкнутий, на конденсатор С подається сигнал U запису або стирання одного біту інформації. Це певний рівень напруги (наприклад, 1 вольт – „1”, 0 вольт – „0”). При вимиканні транзистора ідеальний конденсатор міг би зберігати цей сигнал необмежений час. Але реальний конденсатор завжди має опір витіку (сопротивление утечки) R і поступово втрачає свій заряд. Тому інформацію в пам’яті типу DRAM необхідно періодично регенерувати (приблизно кожні 2 мсек). Це знижує швидкодію такої пам'яті.

Незважаючи на це саме пам'ять DRAM є найбільш розповсюдженою оперативною пам’яттю, бо вона набагато дешевше ніж SRAM.

Основні характеристики пам'яті:

0. - ємність

1. - швидкодія

2. - розрядність

3. - пропускна спроможність, або швидкість передачі даних

-та інші: частота шини, структурна організація, конструктивні відмінності, ціна, умови експлуатації.

Ємність оперативної пам'яті вимірюється в мегабайтах. Для комп’ютерів широкого призначення він сягає 256 Мбайт– 4 Гбайт і більше.

Швидкодія ОП вимірюється в наносекундах (1нс = 10^-9 сек). Вона складається з часу позиціонування адреси за координатами х та у (час доступу) і часу вибору даних. Ці терміни приблизно однакові і для сучасних ОП складають 4-10 нсек.

Треба зауважити, що швидкодія оперативної пам'яті зазвичай набагато нижче ніж швидкодія процесора, внутрішня пам'ять якого побудована на тригерних регістрах. Тому розробники пам'яті застосовують різні структурні рішення (паралелізм вибірки, сторінкова організація тощо) для підвищення швидкодії.

Велике значення для продуктивності тандему процесор-пам'ять має пропускна спроможність шин обміну даними між процесором і пам’яттю. Вона залежить від фізичної частоти передачі даних по шинах, а також розрядності шин – 8, 16, 32, 64...

В поточний час (2008 – 2010 р.) найбільш розповсюдженою пам’яттю динамічного типу є SDRAM (синхронна DRAM) та RDRAM (RAMBUS DRAM). SDRAM має час доступу 6-9 нсек, частоту шини даних 66, 133, 150 Мгц, пропускну спроможність 256-1000 Мбайт/с. RDRAM має час доступу 4 нсек, частоту шини до 800 мгц, пропускну спроможність до 6 Гбайт/с. Але велику вартість – біля 1000 доларів за 128 Мбайт.

Всі параметри оперативної пам'яті з часом дуже швидко змінюються в кращу сторону, в тому числі і вартість. Сьогодні прийнятна ринкова ціна становить десь 15-20 доларів за 64 Мбайта, 30 за 128 Мбайт.

В пам’яті комп’ютерів з різних причин, наприклад, через сплески напруги джерел живлення, можуть бути збої інформації. Вважається, що в надійних система в інформаційних кодах можуть бути зіпсовані тільки поодинокі розряди. В такому випадку є можливість боротьби з помилками (виявляти чи, навіть, виправляти) за рахунок використання в кожній комірці пам’яті спеціалізованих додаткових розрядів – кодів Хеммінга. Найбільш часто використовується один додатковий розряд – розряд парності, який фіксує парність одиниць в інформаційному слові і таким чином виявляє поодинокі помилки. Збільшуючи число контрольних розрядів можна не тільки виявити, але і виправляти поодинокі помилки. Для цього розроблена спеціальна теорія і алгоритми.

Конструктивно оперативна пам’ять виконана у вигляді невеликих друкованих плат з декількома мікросхемами пам’яті на платі. В старих моделях ( 5 років тому) такі модулі були двох типів. SIMM (Single Inline Memory Module) – з одностороннім розташуванням виводів, та DIMM (Dual Inline Memory Module) – з двохстороннім розташуванням виводів. Модулі SIMM мають об’єм пам’яті до 128 Мбайт, 72 контакти і швидкість передачі даних за один цикл 32 біта. Модулі DIMM мають об’єм пам’яті до 256 Мбайт, 168 контактів і швидкість передачі даних – 64 біт за цикл. В багатьох комп’ютерах передбачено встановлення до чотирьох модулів пам’яті, тобто загальних об’єм може сягати 0,5 – 1 Гбайт.

Сучасні персональні комп’ютери комплектуються різноманітними видами оперативної пам’яті, але на даний час дуже широко використовується тільки три види оперативної пам’яті: DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, а наступні вже застарілі: SIMM, SDRAM (DIMM), RD RAM,