4. Оперативные запоминающие устройства (озу)

4.4.1. Разновидности оперативной памяти

Оперативная память (Random Access Memory – RAM), т.е. память с произвольным доступом, используется центральным процессором для совместного хранения данных и исполняемого программного кода. По принципам хранения информации ОЗУ можно разделить на статические и динамические.

Оперативную память можно рассматривать как некий набор ячеек, каждая из которых может хранить один информационный бит.

В статических ОЗУ ячейки построены на различных вариантах триггеров. После записи бита в такую ячейку она может сохранять его сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти – статическая, т.е. пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками – высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает на кристалле немало места. К примеру, микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы более чем из 24 млн. транзисторов, потребляя соответствующую мощность.

В динамических ОЗУ элементарная ячейка представляет собой конденсатор, выполненный по КМОП – технологии. Такой конденсатор способен в течение нескольких миллисекунд сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. При записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля – разряжается. При считывании данных конденсатор разряжается, и если его заряд был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Процесс считывания (обращения к ячейке) сочетается с восстановлением (регенерацией ) заряда. Если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то конденсатор за счет токов утечки разряжается и информация теряется. Для компенсации утечки заряда периодически циклически обращаются к ячейкам памяти, т.к. каждое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора. К достоинствам динамической памяти относятся высокая плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам – низкое быстродействие по сравнению со статической памятью.

В настоящее время динамическая память (Dynamic RAM – DRAM) используется в качестве оперативной памяти компьютера, а статическая память (Static RAM – SRAM)- для создания высокоскоростной кэш – памяти процессора.

Микросхемы динамической памяти организованы в виде квадратной матрицы, причем пересечение строки и столбца матрицы задает одну из элементарных ячеек. При обращении к той или иной ячейке нужно задать адрес нужной строки и столбца. Задание адреса строки происходит, когда на входы микросхемы подается специальный стробирующий импульс RAS (Raw Address Strobe), а задание адреса столбца – при подаче импульса CAS (Column Address Strobe). Импульсы RAS и CAS подаются последовательно друг за другом по мультиплексированной шине адреса.

Регенерация в микросхеме происходит одновременно по всей строке матрицы при обращении к любой из ее ячеек, т.е. достаточно циклически перебрать все строки.

Динамическую память можно разделить на асинхронную и синхронную. В асинхронной памяти установка адреса, подача управляющих сигналов и чтение / запись данных могут выполняться в произвольные моменты времени – необходимо только соблюдение временных соотношений между этими сигналами. Работа такой памяти не синхронизирована с тактовой частотой системной шины, что приводит к жестким ограничениям на частоту шины. Предельное значение тактовой частоты для асинхронной памяти – 66 МГц. Для более высоких частот системной шины на смену пришла синхронная динамическая память – Synchronous DRAM (SDRAM).

При синхронной работе с памятью SDRAM обеспечивается синхронизация всех входных и выходных сигналов с тактами системного генератора. Наиболее распростра-нёнными типами такой памяти являлись до недавнего времени PC100 и PC133 для системной шины с частотой 100 или 133 МГц.

Важнейший параметр памяти - пропускная способность, т.е. максимальное количество байт, передаваемых по шине данных за одну секунду. Для определения пропускной способности нужно частоту системной шины умножить на 8, т.к. SDRAM имеет 64 разрядную (8 – байтную) шину данных. Для PC100 это составит 800 Мбайт/с, а для PC133 – 1064 Мбайт/с или 1,06 Гбайт/с.

Следует иметь в виду, что речь идет о максимальной возможной пропускной способности, которая реализуется только в случаях последовательной передачи данных, когда данные передаются с каждым тактом. При этом не учитывается количес-тво тактов, необходимых для получения доступа к самой строке, а также для настроек модуля памяти. Поэтому другими важными характеристиками памяти являются RAS to CAS delay, CAS Latency и RAS Precharge.

RAS to CAS delay – это промежуток времени, измеряемый в тактах системной шины, между сигналами RAS и CAS.

CAS Latency – это задержка по времени в тактах, которая происходит с момента подачи сигнала CAS до выдачи первого элемента данных на шину. Каждый последующий элемент данных появляется на шине данных в очередном такте. Для SDRAM памяти эта задержка может составлять 2 или 3 такта.

Завершение цикла обращения к банку памяти осуществляется подачей команды деактивации. Эта команда подается за 1 или 2 такта перед выдачей последнего элемента данных. Время деактивации RAS Precharge также измеряется в тактах и может быть равно 2 или3.

Описанные времена RAS to CAS delay (Trcd), CAS Latency (Tcl) и RAS Precharge. (Tpr) определяют так называемый тайминг памяти, записываемый в виде последова-тельности Tcl – Tcrd – Tpr. Для SDRAM памяти тайминг может быть 2-2-2 или 3-3-3.

Сравним, к примеру, память PC100 с таймингом 2-2-2 и PC133 с таймингом 3-3-3. Казалось бы, при тайминге 2-2-2 память должна быть более скоростной, но для PC100 длительность одного такта 10 нс, а для PC133 на шине 133МГц – 7,5 нс. Какая же память окажется более скоростной? Чтобы ответить на этот вопрос, рассчитаем время, необходимое для считывания первых четырех элементов данных (пакетный режим) в обоих случаях. Для PC133 время, необходимое для считывания первого элемента данных, составляет 7 тактов. Действительно, через 6 тактов (Tcl + Trcd = 6T) данные появляются на шине данных, но могут быть считаны только по положительному фронту следующего синхроимпульса, т.е. еще через 1 такт. Учитывая, что после первого элемента данных последующие элементы считываются с каждым тактом, время считывания первых четырех элементов составит 10 тактов, или 75 нс. Для памяти РС100 (2-2-2) время, необходимое для считывания первого элемента данных, составляет 5 тактов (Tcl + Trcd + 1T). Время считывания первых четырех элементов составит уже 8 тактов, или 80 нс.

При появлении процессоров типа Pentium 4 на смену SDRAM пришла память DDR SDRAM. Абревиатура DDR (Double Data Rate) означает удвоенную скорость передачи данных с синхронизацией по фронту и спаду тактирующего сигнала, что позволяет передавать данные два раза за один такт. DDR память предназначена для работы с системными частотами 100,133 и 166 Мгц. DDR память , работающую на частоте 100 Мгц, иногда обозначают DDR200. Аналогично, при работе на 133 Мгц используют обозначение DDR266, а на 166 Мгц – DDR333.

Нетрудно рассчитать и пропускную способность DDR памяти. Учитывая, что ширина шины данных 8 байт, для DDR200 получим 200 Мгц х 8 байт = 1,6 Гбайт/с; для DDR266 – 2,1 Гбайт/с, а для памяти DDR333 – 2,7 Гбайт/с. Используется и другое обозначение этой памяти, где указывается не «эффективная» частота, а пиковая пропускная способность, т.е. память DDR200 обозначается как DDR PC1600, DDR266 – DDR PC2100, а DDR333 – как DDR PC2700.

В настоящее время память DDR266 является самой распространенной, на смену ей спешат DDR333 и DDR400. Ожидается новый перспективный стандарт синхронной памяти DDR II, в котором будет использоваться учетверенная скорость передачи.