Тема 7: Особенности реализации оперативной памяти в компьютерах типа ibm pc

Тема лекции:

План лекции:

4. Динамическая память

5. Статическая память

7.7 Динамическая память

Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для видеоадаптера. Из применяемых в современных и перспективных ПК типов динамической памяти наиболее известны DRAM и FPM DRAM, EDO DRAM и BEDO DRAM, EDRAM и CDRAM, Synchronous DRAM, DDR SDRAM и SLDRAM, видеопа­мять MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM, RDRAM и некоторые другие (табл. 2.2).

Микросхема памяти этого типа представляет собой прямоуголь­ный массив ячеек со вспомогательными логическими схемами, ко­торые используются для чтения или записи данных, а также цепей регенерации, поддерживающих целостность данных. Массивы па­мяти организованы в строки (raw) и столбцы (column) ячеек памяти, именуемые соответственно линиями слов (wordlines) и линиями бит (bitlines). Каждая ячейка памяти имеет уникальное размещение, за­даваемое пересечением строки и столбца. Цепи, поддерживающие работу памяти, включают:

• усилители, считывающие сигнал, обнаруженный в ячейке па­мяти;

• схемы адресации для выбора строк и столбцов;

• схемы выбора адреса строки (Row address select — /RAS) и столбца (Column address select — /CAS), чтобы открывать и за­крывать адреса строк и столбцов, а также начинать и заканчи­вать операции чтения и записи;

• цепи записи и чтения информации;

• внутренние счетчики или регистры -следят за циклами регенерации данных;

• схемы разрешения вывода (Output enable — ОЕ).

Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре по­лупроводникового кристалла. Конденсатор управляет транзистором. Если транзистор открыт и ток идет, это означает «1», если закрыт — «0». С течением времени конденсатор разряжается, и его заряд нуж­но периодически восстанавливать. Между периодами доступа к па­мяти посылается электрический ток, обновляющий заряд на кон­денсаторах для поддержания целостности данных (вот почему дан­ный тип памяти называется динамическим ОЗУ). Этот процесс называется регенерацией памяти. Интервал регенерации измеряется в наносекундах (нс) и это число отражает «скорость» ОЗУ. Боль­шинство ПК на основе процессоров Pentium используют скорость 60 или 70 нс. Процесс регенерации снижает скорость доступа к дан­ным, поэтому доступ к DRAM обычно осуществляется через кэш-память. Однако когда быстродействие процессоров превысило 200 МГц, кэширование перестало, существенно влиять на присущую DRAM низкую скорость и возникла необходимость использования других технологий ОЗУ.

Цикл чтения включает следующие события (для EDO DRAM):

• выбор строки.

• выбор столбца.

• разрешение записи (Write enable /WE). Сигнал /WE задает тип операции; высокий уровень напряжения определяет операцию записи, низкий — чтения информации.

• разрешение вывода (Output enable /OE). Во время операций чтения из памяти этот сигнал предотвращает появление дан­ных прежде времени. Если уровень напряжения в цепи низ­кий, то данные передаются на выходные линии, как только возможно. При записи в память эта линия игнорируется.

• ввод/вывод данных. Выводы DQ (также именуемые входо-выходными или I/Os) на чипе памяти предназначены для ввода и вывода. Во время операции записи высокое («1») или низкое («О») напряжение подается на DQ. При чтении данные считы­ваются из выбранной ячейки и передаются на DQ, если доступ осуществлен и /ОЕ открыт. Все остальное время DQ находятся в закрытом состоянии (высокое входное сопротивление) — они не потребляют электрический ток и не выдают сигналов.

Сравнительные характеристики типов динамической памяти.

FPM DRAM (Fast page mode DRAM) — представляет собой стандартный тип памяти, быстродействие которой составляет 60 или 70 нс. Частота шины 66 МГц. В наилучшем случае данный режим реализует временную схему пакета вида 5-3-3-3.

SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная динамическая па­мять). Этот тип памяти использует тот факт, что большинство обращений к памяти являют­ся последовательными и спроектирован так, чтобы передать все биты пакета данных как можно быстрее (когда начинается передача пакета, все последующие биты поступают с интервалом 10 нс).

Наибольшая скорость SDRAM в циклах процессора - это 5-1-1-1 для пакета чтения четырех единиц информации (байт/ слово/двойное слово) и она поддерживает частоту шины до 133 МГц.

SDRAM PC100. Для материнских плат, поддерживающих внеш­ние частоты в 100 МГц и выше, необходима память (SDRAM), ко­торая сможет нормально и без сбоев работать с такими частотами, обеспечивая оптимальную скорость. Такие модули памяти должны иметь время доступа не более 8 нс, но самого быстродействия как такового недостаточно. Память, способная устойчиво работать на внешних частотах 100 МГц и выше.

SDRAM PC133 — память, соответствующая стандарту PC 133. Память PC 133 — это лучшие об­разцы памяти стандарта РС100, ускоренные до 133 МГц.

Пиковая пропускная способность PC 133 SDRAM при­близительно равна 1 Гбайт/с и средняя пропускная способность около 250 Мбайт/с, что соответствует пропускной способности AGP 4-х (1 Гбайт/с - пиковая и 200 Мбайт/с - средняя).

DDR SDRAM (SDRAM II). Традиционно, по логике устройств с синхронизацией, данные передаются по фронту импульса синхронизации. Так как сигнал генератора импульсов изменяется между «1» и «О», данные могут передаваться как по переднему фронту импульса (из­менение с «О» на «1»), так и по заднему (с «1» на «О»).

В DDR передача данных осуществляется по обоим фронтам тактовых импульсов одновременно, чем достига­ется удвоение скорости передачи при той же тактовой частоте.

DDR-II SDRAM. К числу основных отличий технологии DDR-II от предыдущего варианта (DDR-I) относится то, что в ней размер выборки данных увеличен вдвое — с 2 до 4 бит, а значит, во столько же раз возрастает и скорость передачи данных. Например, при 100 МГц она составит 400 Мбайт/с.

Также память DDR-II отличается от DDR-I более низким на­пряжением питания — 1,8 вместо 2,5 В. Изменена схема компонов­ки, как на уровне отдельных микросхем, так и на уровне модулей, в частности, предполагается, что модули DDR-II DIMM будут иметь не 184 контакта, как DDR-I DIMM, a 230 контактов.

SLDRAM (Synchronous linked DRAM).

Максимальная скорость передачи превышает 1 Гбайт/с на каждый разряд при час­тоте 400 МГц..

DRDRAM — высокоскоростная динамическая память с произвольным доступом, разработанная Rambus Inc. Она обеспечивает высокую пропускную способность по сравнению с большинством других DRAM.

Этот модуль назвали RIMM — Rambus In-line Memory Module (no аналогии с SIMM и DIMM) содержит 16 банков памяти. Его особенность — одинаковая длина всех сигнальных до­рожек; благодаря этому ко всем чипам RDRAM модуля сигналы приходят одновременно. Дело в том, что при работе на частоте 800 МГц размеры RIMM становятся соизмеримыми с длиной волны (около 37 см), что ужесточает требования к расположению элемен­тов на модуле.

Active Link — разработка NEC, которая использует в DRAM ар­хивацию (сжатие информации). Чтобы не загружать этой работой процессор, функции компрессии/декомпрессии данных возлагаются на микросхемы DRAM. В результате несколько расширилось обрам­ление кристалла, но получен двойной выигрыш — нужна меньшая по количеству ячеек микросхема DRAM, и доступ к информации происходит быстрее, чем обычно. Поскольку все больше информа­ции в компьютерах имеет мультимедийную природу, то может быть выбран соответствующий алгоритм компрессии. Процессор будет иметь возможность управлять DRAM (например, для выбора алго­ритма компрессии) не только обычным образом (через контроллер памяти), но и непосредственно. По сведениям NEC, видеоданные сжимаются в чипе ActiveLink в 4 раза.

IRAM (Intellectual Random Access Memory). Главная идея тех­нологии IRAM заключается в размещении процессора и DRAM в одном чипе. Это дает возможность считывания и записи данных длинными словами (в пределах 128—16 384 бит), обеспечивая вы­сокую пропускную способность памяти. Раньше это было невоз­можно — все упиралось в неприемлемо большое число выводов микросхемы. Средняя скорость RAC/CAS равна приблизительно 10—30 нс для модулей емкостью 64—256 Мбайт IRAM. При этом снижается энергопотребление и уменьшается место, занимаемое микросхемами памяти.