5 Оперативная память

Оперативная памятью (RAM, Random Access Memory) по требованию процессора предоставляет хранящуюся в ней информацию, причем делает это достаточно быстро, чтобы избежать длительного простоя CPU. Она относится к семейству динамической памяти (содержимое должно перезаписываться через определенное время, иначе информация будет потеряна). Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или в разряженном состоянии. Считается, что в первом случае в ячейку памяти записана логическая единица (1), во втором - логический ноль (0). На практике в конденсаторе существует ток утечки, поэтому со временем записанная информация будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов окажутся полностью разряженными.

5.1 Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может быть динамического (Dinamic Random Access Memory - DRAM) или статического (Static Random Access Memory - SRAM) типа. Для динамической памяти (DRAM, Dinamic RAM) применимо понятие регенирация (освежение). Регенерация ячеек памяти выполняется автоматически во время циклов чтения или записи данных. Однако при выполнении программы нельзя с уверенностью сказать, что каждый раз будет происходить обращение ко всем ячейкам, поэтому имеется специальный механизм (схема), который через заданные промежутки времени (2 ms) принудительно регенерирует память путем осуществления доступа ко всей памяти. Во время цикла освежения процессор приостанавливается.

В динамической памяти ячейки образованы полупроводниковыми областями, которые могут накапливать заряд (принцип конденсатора). Каждая ячейка памяти практически не потребляющих энергии при хранении и занимает площадь меньшую чем триггер. Ячейки расположены в узлах пересекающихся вертикальных и горизонтальных проводников, соединяющих все конденсаторы микросхемы памяти.

Существует другой тип памяти - статическая (Static RAM, SRAM), которая идентична динамической, но не требует процедуры регенерации. Применение SRAM в качестве микросхем оперативной памяти дает существенный прирост производительности, но при этом сильно увеличивает цену компьютера.

Статическая память обладает высоким быстродействием, но значительно дороже динамического. В статической памяти ячейки представляют собой триггеры (схемы с двумя устойчивыми состояниями), в каждую из которых записывается бит информации. В таком состоянии ячейка при наличие питания может пребывать очень долго. Обращение к конкретной ячейки памяти, имеющей малое время срабатывания, происходит при подаче полного адреса на микросхему, который внутренним дешифратором преобразуется в сигналы выборки. К недостаткам статических микросхем памяти можно отнести:

-низкую удельную емкость микросхемы (единицы мегабит на корпус);

-высокое энергопотребление;

-большую стоимость микросхем.

В связи с этим данный тип памяти используется в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

Из других видов памяти можно также отметить NVRAM, которая предназначена для долговременного хранения информации при отсутствии питания (в то время как для SRAM необходимо наличие аккумулятора). Буквы NV в названии означают Non Volatile (не временная). NVRAM используют для изготовления микросхем BIOS, карт памяти и т.д.

Принцип работы оперативной памяти заключается в следующем. Ячейки памяти конфигурируются в матрицу строк и столбцов и полный адрес ячейки данных (одного бита информации) делится на два компонента: адрес строки (row address) и адрес столбца (column address). Время доступа к блоку RAM определяется в первую очередь временем чтения (разряд конденсатора) и регенерации (заряд конденсатора).

При обращении к памяти на входы памяти подается адрес строки и сигнал RAS (Row Address Strobe). При этом происходит соединение со всеми ячейками из этой строки. Поскольку информация хранится в виде заряда конденсатора, то для того, чтобы считать данные, необходимо устройство с высоким входным сопротивлением, ограничивающим ток разряда конденсатора, чтобы избежать большого тока утечки. Информация считывается со всей строки запоминающих элементов одновременно и помещается в регистр строки (буфер). С некоторой задержкой после сигнала RAS на входы микросхемы памяти подается адрес столбца и сигнал CAS (Column Address Strobe). При этом данные выбираются из регистра в соответствии с адресом столбца и подаются на выход памяти. При считывании информации из запоминающих ячеек считывающие усилители разрушают ее, поэтому для сохранения данных необходима перезапись: выходы регистра строки снова соединяются с ячейками и осуществляют запись. Если ячейка имела заряд, то она снова будет заряжена еще до завершения цикла чтения. На ячейки, которые заряда не имели, напряжение не подается.

Если выполняется цикл записи, то подается сигнал WR (WRite и информация поступает на шину столбца не из регистра, а с информационного входа памяти через коммутатор, определенный адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи определяется комбинацией сигналов адреса столбца и строки, и разрешения записи данных в память. При записи данные из регистра строки на выход не поступают.

Важной характеристикой элементов памяти является время доступа, характеризующееся интервалом времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее. Время доступа у оперативной памяти измеряется в наносекундах. Сегодняшние микросхемы памяти имеют время доступа около 10 ns и менее. При установке модулей памяти необходимо обращать внимание на то, чтобы они имели идентичные параметры и одинаковых производителей.

В микросхемах, начиная с CPU 80486, для доступа к памяти реализован пакетный режим, который заключается в том, что при необходимости чтения одного слова (последовательности битов) CPU вместе с ним читает еще три, расположенные рядом. Время пересылки измеряют в тактах процессора и записывают: 3-2-2-2. Эта запись означает, что если на первую пересылку данных требуется 3 такта CPU, то на следующие три по 2 такта; чем меньше эти значения, тем лучше.

Кроме пакетного режима, для повышения быстродействия динамической памяти используется метод управления памятью с чередованием адресов, который базируется на том, что адреса логически связанных байтов чаще всего располагаются в памяти дуг за другом. После завершения доступа к микросхеме требуется пауза, чтобы она подготовилась к следующему этапу записи или считывания. Чтобы по возможности избежать таких пауз, существует система чередования памяти, то есть помещение следующих друг за другом ячеек в различные банки, из которых CPU должен считывать данные попеременно. Пока в одном из чипов происходит регенерация данных, процессор может без промедления обратиться к следующему байту из другого банка.

Циклы ожидания, которые образуются между обращениями к памяти, существенно замедляют работу системы. Существует способ для улучшения производительности подсистемы памяти - разбиение на страницы. Этот метод базируется на том, что каждый поступающий в CPU байт находится вблизи от байта, уже считанного из памяти и логически связанного с ним. Следовательно, повторения сигнала RAS и связанных с этим издержек можно избежать, если адреса строк выбираемых ячеек лежат в пределах одной страницы. Память делится на страницы от 512 байтов до нескольких килобайт. Затем микросхема распределения памяти позволяет обращаться к ячейкам внутри страницы без введения состояния ожидания.