Оперативний запам'ятовуючий пристрій

Оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП, на англ. мові – RAM, Random Access Memory – пам'ять з довільним доступом) – представляє собою масив адресуємих електронних комірок, здатних зберігати двійкові дані. Ця пам'ять використовується для обміну даними між процесором та іншими пристроями ЕОМ, наприклад, із зовнішньою пам'яттю ЕОМ (що найчастіше буває представлена пристроями дискової пам'яті або іншими пристроями електронної пам'яті типу флеш-накопичувачів) чи внутрішніми та периферійними пристроями. Інша назва ОЗП – основна, або оперативна пам'ять (main memory).

ОЗП представляє собою один із видів електронної пам'яті, її характеризують як енергозалежну, тобто здатну зберігати дані за умови безперервного живлення; після припинення живлення дані зникають без можливості їх відновлення. Крім того, швидкодія цієї пам'яті є порівняно високою, звідси і назва "оперативна". Оперативність власне і дозволяє ОЗП задовольняти запити процесорів на дані під час розрахунків, а відтак не стримувати їх обчислювальну потужність.

За принципом дії електронна пам'ять, що використовуюється у ОЗП, відноситься до динамічної пам'яті, так званої DRAM (Dynamic RAM). Запам'ятовуючі комірки DRAM-пам'яті представляють собою конденсатори, створені елементами напівпровідникових мікросхем. Фактично запис двійкової одиниці зводиться до заряджання конденсатора, двійкового нуля – до його розряджання. При зчитуванні даних схема зчитування розряджає через себе конденсатор на певну лінію шини і, якщо заряд був ненульовим, підзаряджає конденсатор до попереднього рівня. При відсутності звернень до комірок, завдяки існуванню струмів витоку з часом відбувається розряджання конденсаторів, і як наслідок, втрачання даних. Така пам'ять потребує періодичного, або динамічного, підзаряджання конденсаторів, за що і отримала відповідну назву. DRAM-пам'ять, являє собою найдешевшу напівпровідникову пам'ять з помірним енергоспоживанням, проте з невисокими швидкісними характеристиками. Відмітимо, що швидкодія ОЗП визначається головним чином такими показниками, як швидкість запису даних у пам'ять та швидкість їх зчитування.

Технологічно оперативна пам'ять виготовляється у вигляді мікросхем. Декілька мікросхем розташовують на прямокутних текстолітових панелях, їх контакти виводять на край панелі. Такі модулі пам'яті вставляються у слотові роз'єми системної плати, в результаті вони виявляються приєднаними до системної шини і відповідно працюють на частоті останньої. На системних платах присутні декілька слотів (мінімум два), призначених для підключення модулів оперативної пам'яті, що дозволяє, за необхідності, збільшувати її об'єм у системі.

Розглянемо, яким чином відбувається обмін даними між процесором та ОЗП. По командній шині від ОЗП до процесора надходить чергова інструкція попередньо завантаженої програми. При копіюванні даних з ОЗП на лініях адресної шини процесором виставляється комбінація напруг, яка інтерпретуються як адреса, що вказує на одну з комірок пам'яті ОЗП із затребуваними даними. Дані з вказаної комірки направляються у шину даних та через неї надходять до регістрів процесора. Аналогічно відбувається запис даних від процесора у комірки пам'яті ОЗП.

Вище була розглянута ідея кешування ОЗП, тобто ідея ієрархічної побудови оперативної пам'яті шляхом комбінування великого об'єму повільної пам'яті та невеликої за об'ємом швидкісної кеш-пам'яті. Кеш-пам'ять представляє собою швидкодіюче сховище копій даних з ОЗП, ймовірність звернень процесора до яких найближчим часом є високою. Якщо при зверненні до даних їх копія присутня у кеш-пам'яті, то це випадок кеш-влучення (cache hit) і дані отримуються з кешу, при цьому процесор не простоює в очікуванні надходження даних системною шиною від ОЗП, а безпосередньо переходить до їх обробки. Протилежний випадок – це кеш-промах (cache miss), при цьому затребувані дані отримуються з ОЗП.

На практиці у кеш потрапляють не обов'язково результати виконання процесором останньої інструкції, як це було описано вище. Відповідно до використовуваних алгоритмів кешування приймається рішення про поміщення даного блоку даних до кешу. Тому саме від інтелектуальності алгоритмів кешування, правильності та адекватності їх математичних моделей залежить процент влучень, а відтак ефективність кешування і отримуване пришвидшення роботи ЕОМ.

Відмітимо, що для побудови кеш-пам'яті використовуються інший тип електронної пам'яті – статична пам'ять, або SRAM (Static RAM). Комірки статичної пам'яті реалізуються на тригерах – елементах з двома стійкими станами (на відміну від тригера, у конденсатора один з станів – "заряджено" – не є стійким). Порівняно з комірками-конденсаторами динамічної пам'яті, комірки-тригери займають більше місця на підкладці-кристалі, є значно складнішими і відповідно дорожчими у виготовленні