17. Фізичні і логічні основи збереження інформації. Види пам'яті і їхні основні характеристики.

Память

Память является одним из основных элементов любой вычислительной сис¬темы. Элементы памяти в том или ином виде присутствуют в каждом конст¬руктивном модуле PC.

В этой главе основное внимание уделено элементам оперативной памяти (рис. 7.1), характеристики которых определяют быстродействие всей систе¬мы. Без этих элементов работа PC просто невозможна. Оперативная па¬мять — временная память, т. е. данные хранятся в ней только до выключе¬ния PC. Для долговременного хранения информации служат дискеты, винчестеры, компакт-диски и т. п.

Конструктивно они выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем са¬мым изменить (скорее всего, увеличить) объем оперативной памяти PC.

Чтобы CPU мог выполнять программы, они должны быть загружены в опе¬ративную рабочую память, т. е. в память, доступную для программ пользова¬теля. К данным, находящимся в оперативной памяти (Random Access Memory, RAM — Память с произвольным доступом), CPU имеет непосредственный доступ, а к периферийной, или внешней памяти (гибким и жестким дис¬кам) — через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программа будет загру¬жена в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая ее работа.

Время доступа к данным, находящимся в RAM, мало, поэтому скорость их обработки велика. Если бы информация считывалась/записывалась только с внешних носителей, то можно было выпить не одну чашку кофе в ожида¬нии завершения выполнения той или иной операции.

Недостаток оперативной памяти состоит в том, что она временная, т. е. при отключении питания оперативная память полностью очищается, и данные, не записанные на внешний носитель, будут потеряны.

Основная задача RAM — предоставлять по требованию CPU необходимую информацию. Это означает, что данные в любой момент должны быть дос¬тупны для обработки.

Временный характер запоминания данных в оперативной памяти определя¬ется не только наличием питания. Дело в том, что оперативная память от¬носится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неиз¬менным в течение очень короткого промежутка времени, поэтому память должна периодически обновляться.

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая 1, если разряжен — логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неогра¬ниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утра¬чена, так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Чтобы пояснить этот процесс, представим элемент памяти как ведро с во¬дой, которое может быть либо пустым (состояние 0, соответственно Out), либо полным (состояние 1, соответственно In). Однако в этом ведре имеют¬ся такие маленькие дырки, что вода (информация) вытекала бы по капле, если бы "водоносу" (специальной логической схеме) не было поручено ком¬пенсировать убыток воды (данных) так, чтобы уровень ее оставался неиз¬менным. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh). Деятель¬ность "водоноса" имеет огромное значение, поэтому ему нельзя мешать. Это означает, что CPU имеет доступ к данным, находящимся в RAM, только в течение циклов, свободных от регенерации.

Единственным способом регенерации хранимой в памяти информации является выполнение операции чтения/записи данных. Если информация заносится в динамическую память, а затем в течение нескольких миллисекунд остается невостребованной, она будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Регенерация памяти происходит при выполнении каждой операции чтения или записи. Однако нет гарантии, что при выполнении любой программы произойдет обращение ко всем ячейкам памяти, поэтому имеется специаль¬ная схема, которая через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) будет осуществлять доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания. За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти.

DRAM (Dynamic RAM) – динамический вид оперативной памяти. Каждая ячейка такой памяти состоит из малого числа элементов (конденсатор и несколько транзисторов). Основой ячейки является конденсатор, уровень заряда (высокий – низкий) которого говорит о значении, находящемся в ячейке. Так как конденсаторы имеют очень малые размеры, заряд с них постоянно стекает, следовательно необходимо очень часто этот заряд восстанавливать – проводить регенерацию. Регенерация производится контроллером памяти. Из всего этого следует, что при исчезновении напряжения все данные из памяти будут потеряны. SRAM (Static RAM) – статическая оперативная память. Значение, помещённое в ячейку такой памяти, сохраняется там на долгое время и не требует регенерации. Каждая ячейка состоит из нескольких транзисторов и плотность их расположения довольно низкая, поэтому невозможно получить большой объём такой памяти в одной микросхеме. Из-за использования большого количества элементов цена её довольно высока, но в результате этого память может работать на очень высоких частотах, сравнимых с частотами процессоров. Поэтому её применяют в качестве кэш(cache)-памяти, когда малого объёма при высокой скорости бывает достаточно. Всё нижеследующее относится только к DRAM.

Основные типы DRAM:

1) FPM DRAM = Fast Page Mode DRAM FPM DRAM – динамическая память, работающая в режиме ускоренного страничного обмена. Так как память представляет собой табличную структуру то при адресации памяти сначала указывается строка и после этого столбец. В режиме ускоренного страничного обмена при адресации первой ячейки указывается и строка, и столбец. При адресации следующих нескольких ячеек строка остаётся той же, столбцы же идут по порядку. А так как строку указывать не надо, то на адресацию этих ячеек тратится меньше времени. Обычно адресацию обозначают формулой. Для FPM DRAM формула: 6-3-3-3. Это значит, что на адресацию первой ячейки тратится 6 тактовых циклов. Три следующие ячейки адресуются в два раза быстрее. Параметры памяти этого типа: Частота: 33 Мгц Время доступа: 50 нс Питание памяти: 5 В 2) EDO DRAM = Extended Data Out DRAM Данная память появилась в 1995 году. Как и FPM DRAM она работает в режиме ускоренного страничного обмена. Основной её особенностью является возможность считывания ячейки памяти во время обращения к следующей ячейке. Это значит, что в то время как одна ячейка ещё не успела считаться, идёт подготовка к считыванию следующей, то есть новый цикл обращения к памяти начинается до завершения предыдущего. Параметры памяти: Формула: 6-2-2-2 Частота 66 МГц Время доступа: 60-70 нс Питание: 5 В; 3.3 В Хотя у этого типа памяти и большое время доступа, но за счёт особенностей доступа, описанных выше, частота работы EDO DRAM выше, чем у FPM DRAM. 3) SDRAM = Synchronous DRAM Это тип динамической памяти, работа которого синхронизирована с шиной памяти. В результате этого нет необходимости в циклах ожидания, необходимых для асинхронной памяти. В SDRAM впервые реализован 64-разрядный интерфейс обмена данными. Память этого типа изготавливалась в виде 168-pin модулей. Параметры: Формула: 5-1-1-1 Частота: сначала 66 и 100 МГц В 1998 году Intel выпустила спецификацию PC100, которая представляла собой многостраничный документ, описывающий требования к памяти, работающей на частоте 100 МГц. Основным параметром такой памяти является время доступа – 8 нс. При времени доступа 10 нс и частоте 100 МГц (максимальная частота = 1/время доступа) память могла работать нестабильно. Через некоторое время была выпущена спецификация PC133, описывающая уже требования к памяти, работающей на 133 МГц. Intel в это время переходит на другой вид памяти – Rambus, а спецификацию поддерживает AMD. Пропускная способность: PC100 – 0.8 ГБ/с(ГБайт/с) PC133 – 1.06 ГБ/с Максимальная пропускная способность определяется как произведение частоты памяти на её разрядность (не забывая, что 1 Байт = 8 бит). Питание: 3.3 В 4) DDR SDRAM = Double Data Rate SDRAM Синхронная память с удвоенной скоростью передачи данных по сравнению с обычной SDRAM. Удвоенная пропускная способность достигается за счёт работы на обеих границах тактового сигнала (на подъёме и спаде). Разрядность шины памяти как и у SDRAM – 64 бит. DDR SDRAM изготавливалась в виде 184-pin модулей. Сначала этот вид памяти работал на частотах 200 МГц (РС1600) и 266 МГц (РС2100). В названии указывается не частота, а пропускная способность. На данный момент максимальная частота – 533 МГц (РС4300) (на самом деле может и выше, я могу ошибаться). Питание: 2.5 В Так как этот вид памяти самый популярный пока, рассмотрим подробнее его параметры. Все они могут быть изменены из BIOS’а, и все они влияют на производительность компьютера. Но только очень качественная память может работать при установке наилучших значений параметров. Если компьютер не работает после изменения их значений, необходимо сбросить BIOS. Итак, параметры (чем меньше значение параметра, тем лучше): CAS Latency (Column Address Strobe Latency) – количество тактов, которые должны пройти, прежде чем память отдаст команду на чтение из ячейки. Сильно влияет на производительность. По умолчанию обычно стоит – 2.5т, можно установить 2т. Следующие 3 параметра определяют внутренние задержки памяти: TRP (precharge-to-active) – по умолчанию – 3т, минимально – 2т; TRAS (active-to-precharge) – по умолчанию – 6т, минимально – 5т; TRCD (active-to-CMD) – по умолчанию – 3т, минимально 2т. DRAM Command Rate – задержка при передаче данных между чипсетом и памятью. По умолчанию – 2т, минимально – 1т. 5) DDR2 SDRAM Новый вид памяти, который уже используется в видеокартах. Совсем скоро появится и оперативка этого типа. Чем она кардинально отличается от DDR я пока не знаю. Частота на это время 400 МГц. Питание: 1.8 В Модули: 240-pin. 6) RDRAM = Rambus DRAM Эта память начала разрабатываться компанией Rambus ещё в 1995 году. В 1999 году она получила поддержку от Intel, которая начала использовать её, пытаясь обогнать AMD с её DDR. Как и DDR, Rambus работала на удвоенной частоте. Частоты были 800 МГц (РС800) с пропускной способностью 1.6 ГБ/с и 1066 МГц (РС1066) Сами модули были 16-разрядные, 184-pin. Поэтому для работы на 32-разрядной шине необходимо устанавливать чётное количество модулей (парами). Позже появились 32-разрядные модули. Они имели большее количество контактов (вроде 232-pin) и обозначались как РС3200 (800 МГц) и РС4200 (1066 МГц). Здесь в названии использовалась пропускная способность памяти. Питание у Rambus DRAM – 2.5 В. Остаётся только добавить, что RDRAM память была очень дорогой плюс не очень хорошее отношение к компании Rambus сделало невыгодным использование этой памяти в компьютере и затормозило развитие Intel, в результате чего AMD с её DDR смогла сделать большой шаг вперёд. 7) Rambus XDR = Rambus eXtreme Data Rate Совершенно новый вид памяти, пока не готовый к массовому выпуску. Компания Rambus не сдалась после провальной RDRAM и продолжила разработки памяти. Предполагается, что XDR будет со следующими параметрами: Шина памяти: 128 бит Частота: 3.2 и 6.4 ГГц Пропускная способность: до 100 ГБ/с С типами оперативной памяти вроде всё. Теперь о том, куда эта память втыкается.

Слоты:

1) SIMM = Single In-line Memory Module Модуль памяти с однорядным расположением выводов. Более старые – 30-контактные модули. Ёмкость – 256 кБ, 1, 4, 8, 16 МБ. Менее старые – 72-контактные модули. Ёмкость – 1-128 МБ. В компах с 64-разрядной шиной памяти эти модули необходимо устанавливать парами. При 32-разрядной шине – без разницы. В виде этих модулей выпускаются(-лись) следующие типы памяти: FPM, EDO.ъ 2) DIMM = Dual In-line Memory Module Модули памяти с двухрядным расположением выводов. Модули 64-разрядные (можно устанавливать в нечётном количестве) В виде этих модулей выпускаются(-лись) следующие типы памяти: FPM, EDO, SDRAM, DDR SDRAM 3) RIMM = Rumbus In-line Memory module Слот для памяти Rumbus DRAM. Больше сказать нечего