Вопрос 2. Виды и назначение оперативной памяти

Память (запоминающее устройство, ЗУ) является устройством хранения информации для дальнейшего использования. Вся память ПК может быть разделена на оперативную (ОЗУ) и внешнюю (ВЗУ).

Основными характеристиками ЗУ являются:

• емкость памяти, измеряемая в байтах;

• методы доступа к данным;

• быстродействие (время обращения к устройству);

• надежность работы, характеризуемая зависимостью от окружающей среды и колебаний напряжения питания;

• стоимость единицы памяти.

Для повышения быстродействия применяются различные архитектурно-логические решения, известно множество различных типов памяти, отличающихся друг от друга своими основными характеристиками.

Динамическая память (DRАМ) 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 DRАМ и FРМ ОКАМ, ЕDО DRАМ и ВЕDО DRАМ, ЕDRАМ и СDRАМ, Synchronous DRАМ, DDR SDRАМ и SLDRАМ, видеопамять МDRАМ, VRАМ, WRАМ и SGRАМ, RDRАМ и некоторые другие.

Охарактеризуем вкратце системы динамической оперативной памяти.

FРМ DRАМ(fast page mode DRAM) — представляет собой стандартный тип памяти, быстродействие которой составляет 60 или 70 нс.

Система управления памятью в процессе считывания активирует адреса строк, столбцов, осуществляет проверку данных и передачу информации в систему. Столбцы после этого деактивируются, что приводит к нежелательному состоянию ожидания процессора в некоторых сочетаниях операций с памятью. В наилучшем случае данный режим реализует временную схему пакета вида 5-3-3-3.

EDO RAM (RАМ с расширенным выходом). Обращение на чтение осуществляется таким же образом, как и в FРМ, за исключением того, что высокий уровень /САS не сбрасывает выходные данные, а использование триггера позволяет сохранять данные то тех пор, пока уровень САS снова не станет низким. Тем самым не происходит сброса адреса столбцов перед началом следующей операции с памятью.

ВЕDО RАМ (Burst extended data out DRAM — Пакетная с расширенным выходом), как это видно из названия, читает данные в виде пакета, что означает, что после получения адреса каждая из следующих трех единиц информации читается за один цикл таймера, а ЦП считывает данные в виде пакета 5-1-1-1. Быстродействие системы на 100 % превосходит FРМ и на 50 % — EDО DRАМ.

SDRАМ (Synchronous DRАМ — Синхронная динамическая память). Этот тип памяти существенно отличается от других тем, что использует тот факт, что большинство обращений к памяти является последовательным и спроектировано так, чтобы передать все биты пакета данных как можно быстрее (когда начинается передача пакета, все последующие биты поступают с интервалом 10 нс).

Как видно из названия, эта память обеспечивает синхронизацию всех входных и выходных сигналов с системным таймером. Наибольшая скорость SDRАМ в циклах ЦП — это 5-1-1-1 для пакета чтения четырех единиц информации (байт/слово/двойное слово), что делает ее такой же быстродействующей, как и ВEDО RАМ; однако самое большое достоинство SDRАМ — то, что она легко поддерживает частоту шины до 100 МГц.

SDRАМ РС100. Для материнских плат, поддерживающих внешние частоты 100 МГц и выше, необходима память (SDRАМ), которая сможет нормально и без сбоев работать с такими частотами, обеспечивая оптимальную скорость. Такие модули памяти должны иметь время доступа не более 8 не, но самого быстродействия как такового недостаточно. Память, способная устойчиво работать на внешних частотах 100 МГц и выше, должна удовлетворять специальному стандарту — РС100.

SDRАМ РС133 — память, соответствующая стандарту РС133.

Спецификация РС133 SDRАМ DIММ разработана группой компаний VIА Technologies, IВМ Microelectronics, Micron Semiconductor Products, NЕС Electronics, Samsung Semiconductor. Память РС133 — это лучшие образцы памяти стандарта РС100, «разогнанные» до 133 МГц. Пиковая пропускная способность РС133 SDRАМ приблизительно равна 1 Гб/с и средняя пропускная способность около 250 Мбайт/с, что соответствует пропускной способности АGР 4-х (1 Гбайт/с — пиковая и 200 Мбайт/с — средняя).

DDR SDRАМ (SDRАМ II). Компанией Samsung предложена система DDR (Double Data Rate) SDRАМ или SDRАМ II, в которой передача данных осуществляется по обоим фронтам тактовых импульсов одновременно, чем достигается удвоение скорости передачи при той же тактовой частоте.

Кроме того, DDR использует DDL (delay-locked loop — цикл с фиксированной задержкой) для выдачи сигнала DataStrobe, означающего доступность данных на выходных контактах. Используя один сигнал DataStrobe на каждые 16 выводов, контроллер может осуществлять доступ к данным более точно и синхронизировать входящие данные, поступающие из разных модулей, находящихся в одном банке. DDR фактически увеличивает скорость доступа вдвое по сравнению с SDRАМ, используя при этом ту же частоту.

DDR II SDRАМ. 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 скорость передачи. Память DDR-II отличается от DDR-I более низким напряжением питания — 1,8 вместо 2,5 В.

SLDRАМ (Synchronous linked DRАМ). Этот тип устройств разработан консорциумом крупнейших производителей модулей памяти — SLDRАМ Consortium. Считается, что применение SLDRАМ экономически выгодно при объеме ОЗУ не менее 256 Мбайт.

Максимальная достижимая скорость передачи SLDRАМ превышает 1 Гбайт/с на каждый разряд при частоте 400 МГц. Контроллер программирует все чипы модуля памяти так, чтобы они выдавали данные на шину одновременно, независимо от разброса их параметров и степени удаленности микросхем от контроллера. В результате самая удаленная микросхема выдает данные без задержки, а самая близкая — через промежуток времени, нужный, чтобы сигнал распространился от самой удаленной до самой близкой.

ESDRAM (Enhanced SDRАМ — улучшенная SDRАМ) — более быстрая версия SDRАМ, соответствующая стандарту JEDEC компании Enhanced Memory Systems (EMS). С точки зрения времени доступа производительность ESDRАМ в 2 раза выше по отношению к стандартной SDRАМ.

Недостаток ESDRАМ — усложнение контроллера: он должен учитывать возможность подготовки к чтению новой строки ядра. Кроме того, при произвольных адресах чтения кэш-память используется крайне неэффективно, поскольку чтение строки ядра целиком происходит очень редко. Этого недостатка нет у другого типа памяти — CDRАМ.

СDRАМ (Cached DRАМ — DRАМ с кэш-памятью). Этот тип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi и представляет собой улучшенный вариант ESDRАМ.

Изменения коснулись кэш-памяти — ее объема, принципа размещения данных, средств доступа. Cached DRАМ имеет раздельные адресные линии для статического кэша и динамического ядра. Необходимость управлять разнородными типами памяти усложняет контроллер, однако эффективность кэш-памяти, размешенной внутри микросхемы, выше, чем при традиционной архитектуре ПК, так как перенос в кэш осуществляется блоками, в восемь раз большими, чем при выдаче из микросхемы обычной DRАМ.

Direct Rambus (DRDRАМ). Одной из наиболее быстродействующих является память RDRАМ, разработанная компанией Rambus (США) и выпускаемая такими компаниями, как NЕС, Toshiba и Fujitsu. Память RDRАМ является 9-разрядной, тактируется частотой 250 МГц и достигает пиковой скорости передачи данных 500 Мбайт/с.

VСМ (Virtual Channel Memory) — разработанная NЕС и Siemens технология, позволяющая оптимизировать доступ к оперативной памяти нескольких процессов (запись данных центральным процессором, перенос содержимого оперативной памяти на жесткий диск, обращения графического процессора и т. п.) таким образом, что переключение между процессами не приводит к падению производительности.

В отличие от традиционной схемы, когда все процессы делят одну и ту же шину ввода-вывода, в технологии VСМ каждый из них использует виртуальную шину. Организованное на уровне чипа взаимодействие виртуальных шин и реальной шины позволяет достичь прироста производительности системы до 25 %.

Чтобы при одновременном обращении к. памяти нескольких процессов не снизилась производительность, число каналов доведено до 16 по 1024 бита каждый (в модулях по 256 Мбайт каждый канал может передавать до 2048 бит). Работает VС SDRАМ при частоте до 143 МГц. Тип корпуса — стандартный, совместимый по контактам и набору команд с SDRАМ.

Active Link — разработка NEC, которая нагружает DRАМ новыми функциями — архивация (сжатие информации) в основной памяти.

Чтобы не загружать рутинной работой процессор, функция компрессии/декомпрессии возлагается на сам чип DRАМ. В результате несколько расширилось обрамление кристалла, но налицо двойной выигрыш — нужна меньшая по количеству ячеек микросхема DRАМ, и доступ к информации происходит быстрее, чем обычно. Поскольку все больше информации в компьютерах имеет мультимедийную природу, можно выбрать соответствующий алгоритм компрессии. По утверждению NEС, видеоданные сжимаются в чипе ActiveLink в 4 раза.

IRАМ (Intellectual Random Access Memory). Главная идея IRАМ — в размещении процессора и DRАМ в одном чипе. Это дает возможность чтения и записи данных длинными словами (от 128 до 16 384 бит), обеспечивая повышение пропускной способности памяти. Раньше это было невозможно — все упиралось в неприемлемо большое число выводов микросхемы. Средняя скорость RАС/САS равна приблизительно 10—30 не для модулей 64—256 Мбайт IRАМ. При этом снижается энергопотребление и уменьшается площадь, занимаемая микросхемами памяти.

Магнитная оперативная память. Надо заметить, что первые образцы ОЗУ были выполнены на кольцевых магнитных ферритовых сердечниках, нанизанных на адресные и информационные шины (провода). Емкость таких ЗУ не превосходила 64 Кбайт. В последующем длительный период времени устройства ОЗУ выполнялись на кремниевых полупроводниковых элементах.

В 2000 г. IВМ и Infineon Technologies АG (ФРГ) объявили программу разработки МRАМ (Magnetic Random Access Memory). Принцип организации элементов памяти — магнитная среда, заключенная между слоями металла.

Преимущества технологии — высокая емкость, скорость, низкая стоимость, возможность применения как в форме статической, так и динамической памяти, более низкое энергопотребление.

Статическая память (SRАМ) обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня для кэширования основного объема ОЗУ.

Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-, КМОП- или БиКМОП-микросхеми по способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной.Асинхронным назы¬вается доступ к данным, который можно осуществлять в произвольный момент времени. Асинхронная SRАМ применялась на материнских платах для третьего — пятого поколений процессоров. Время доступа к ячейкам такой памяти составляло от 15 (33 МГц) до 8 нс (66 МГц).

Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произвольные моменты времени, а синхронно с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для доступа следующую порцию данных. В большинстве материнских плат пятого поколения используется разновидность синхронной памяти — пакетно-конвейерная SRАМ, для которой типичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 такта, а групповая операция занимает 3-1-1-1 такта при первом обращении и 1-1-1-1 при последующих обращениях, что обеспечивает ускорение доступа более чем на 25 %.

Async SRАМ(Асинхронная статическая память). Это кэш-память, которая используется в течение многих лет с тех пор, как появился первый 386-й компьютер с кэш-памятью второго уровня. Обращение к ней производится быстрее, чем к DRАМ, и могут, в зависимости от скорости ЦП, использоваться варианты с доступом за 20, 15 или 10 нс (чем меньше время обращения к данным, тем быстрее память и тем короче может быть пакетный доступ к ней).

Тем не менее, как видно из названия, эта память является недостаточно быстрой для синхронного доступа, что означает, что для обращения ЦП все-таки требуется ожидание, хотя и меньшее, чем при использовании ОКАМ.

SyncBurst SRАМ (Синхронная пакетная статическая память). При частотах шины, не превышающих 66 МГц, синхронная пакетная SRАМ является наиболее быстрой из существующих видов памяти. Причина этого в том, что, если ЦП работает на не слишком большой частоте, синхронная пакетная SRАМ может обеспечить полностью синхронную выдачу данных, что означает отсутствие задержки при пакетном чтении ЦП 2-1-1-1.

Когда частота ЦП становится больше 66 МГц, синхронная пакетная SRАМ не справляется с нагрузкой и выдает данные пакетами по 3-2-2-2, что существенно медленнее, чем при использовании конвейерной пакетной SRАМ. К недостаткам относится и то, что синхронная пакетная SRАМ производится меньшим числом компаний и поэтому стоит дороже. Синхронная пакетная SRАМ имеет время адрес/данные от 8,5 до 12 нс.

РВ SRАМ (Конвейерная пакетная статическая память).

Конвейер — распараллеливание операций SRАМ с использованием входных и выходных регистров. Заполнение регистров требует дополнительного начального цикла, но, будучи заполненными, регистры обеспечивают быстрый переход к следующему адресу за то время, пока по текущему адресу считываются данные.

Такая память является наиболее быстрой кэш-памятью для систем с производительностью шины более 75 МГц. РВ SRАМ может работать при частоте шины до 133 МГц. Она, кроме того, работает ненамного медленнее, чем синхронная пакетная SRАМ при использовании в медленных системах: она выдает данные пакетами по 3-1-1-1 все время. Время адрес/данные составляет от 4,5 до 8 нс.

1-Т SRАМ. Традиционные конструкции SRАМ используют для запоминания одного разряда (ячейки) статический триггер. Для реализации одной такой схемы на плате должно быть размещено от четырех до шести транзисторов (4-Т, 6-Т ЗКАМ). Фирма Monolithic System Technology (MoSys) объявила о создании нового типа памяти, в которой каждый разряд реализован на одном транзисторе (1-Т SRАМ).

Фактически здесь применяется технология DRАМ, поскольку приходится осуществлять периодическую регенерацию памяти. Однако интерфейс с памятью выполнен в стандарте SRАМ, при этом циклы регенерации скрыты от контроллера памяти. Схемы 1-Т позволяют снизить размер кремниевого кристалла на 50—80 % по сравнению с аналогичными для SRАМ, а потребление электроэнергии — на 75 %.