2.9. Принципы действия ячеек памяти
2.9.1. Динамическая память
Динамическая память - DRAM (Dynamic RAM) - получила свое название от принципа действия ее запоминающих ячеек, которые выполнены в виде конденсаторов, образованных элементами полупроводниковых микросхем. С некоторым упрощением описания физических процессов можно сказать, что при записи логической единицы в ячейку конденсатор заряжается, при записи нуля - разряжается. Схема считывания разряжает через себя этот конденсатор и, если заряд был ненулевым, выставляет на своем выходе единичное значение, затем подзаряжает конденсатор до прежнего значения. При отсутствии обращения к ячейке со временем за счет токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется, поэтому такая память требует постоянного периодического подзаряда конденсаторов (обращения к ячейке) - память может работать только в динамическом режиме. Этим она принципиально отличается от статической памяти, реализуемой на триггер- ных ячейках и хранящей информацию без обращений к ней сколь угодно долго (при включенном питании). Благодаря относительной простоте ячейки динамической памяти на одном кристалле удается размещать миллионы ячеек и получать самую дешевую полупроводниковую память достаточно высокого быстродействия с умеренным энергопотреблением, используемую в качестве основной памяти компьютера.
Запоминающие ячейки микросхем DRAM организованы в виде двумерной матрицы. Адрес строки и столбца передается по мультиплексированной шине адреса (МА, Multiplexed Address) и стробируется по спаду импульсов. Поскольку обращения (запись или чтение) к различным ячейкам памяти обычно происходят в случайном порядке, то для поддержания сохранности данных применяется регенерация (Memory Refresh - «освежение» памяти) - регулярный циклический перебор ее ячеек (обращение к ним) с холостыми циклами. Регенерация в микросхеме происходит одновременно по всей строке матрицы при обращении к любой из ее ячеек.
Динамическая память, используемая в видеобуферах графических адаптеров, специальных циклов регенерации, как правило, не требует, поскольку частота ее чтения для регенерации изображения вполне достаточна для сохранения информации.
Динамическая память в настоящее время является практически незаменимой в качестве основной (оперативной) памяти компьютеров. Наиболее частые изменения конфигурации PC связаны именно с оперативной памятью - обычно стремятся к увеличению ее объема и повышению производительности. С этим видом памяти, однако, связано и большинство проблем, выражающихся в неустойчивой работе компьютера.
Микросхемы или (и) модули динамической памяти, предназначенные для работы в качестве ОЗУ, в подавляющем большинстве случаев устанавливаются на системной плате с целью максимального приближения к процессору и чипсету. Это приближение (и физическое, и логическое) прежде всего направлено на повышение производительности оперативной памяти.
2.9.2. Статическая память
Статическая память - SRAM (Static Random Access Memory), как следует из ее названия, способна хранить информацию в статическом режиме, т. е. сколь угодно долго при отсутствии обращений (но при наличии питающего напряжения). Ячейки статической памяти реализуются на триггерах - элементах с двумя устойчивыми состояниями. По сравнению с динамической памятью эти ячейки более сложные и занимают больше места на кристалле, однако они проще в управлении и не требуют регенерации. Быстродействие и энергопотребление статической памяти определяется технологией изготовления и схемотехникой запоминающих ячеек. Самая экономичная КМОП-память (CMOS Memory) имеет время доступа более 100 наносекунд, но зато пригодна для длительного хранения информации при питании от маломощной батареи, что и применяется в памяти конфигурации PC. Самая быстродействующая статическая память имеет время доступа в несколько наносекунд, что позволяет ей работать на частоте системной шины процессора, не требуя от него тактов ожидания. Типовой объем памяти современных микросхем SRAM достигает 1 Мбит. Относительно высокая удельная стоимость хранения информации и энергопотребление при низкой плотности упаковки не позволяют использовать SRAM в качестве основной памяти компьютеров.
Рис. 2.14. Временные диаграммы чтения и записи асинхронной статической памяти
Микросхемы этого типа имеют простейший асинхронный интерфейс, включающий шину адреса, шину данных и сигналы управления CS#, ОЕ# и WE#. Микросхема выбирается низким уровнем сигнала CS# (Chip select). Низкий уровень сигнала ОЕ# (Output Enable) открывает выходные буферы для считывания данных, WE# (Write Enable) низким уровнем разрешает запись (рис. 2.14). При операции записи управление выходными буферами может производиться как сигналом ОЕ# (цикл 1), так и сигналом WE# (цикл 2). Для удобства объединения микросхем внутренний сигнал CS# может собираться по схеме «И» из нескольких внешних, например: CSO#, CS1 и CS2#. В таком случае микросхема будет выбрана при сочетании логических сигналов 0, 1, 0 на соответствующих входах.
Время доступа - задержка появления действительных данных на выходе относительно момента установления адреса. У стандартных микросхем SRAM составляет 12, 15 или 20 наносекунд, что позволяет процессору выполнять пакетный цикл чтения 2-1-1-1 (т. е. без тактов ожидания) на системной шины до 66 МГц. На более высоких частотах цикл будет не лучше 3-2-2-2.