Лекція 11 Тема: електронна пам’ять План
11.1. Загальна характеристика
11.2. Класифікація електронної пам’яті
11.3. Характеристики і параметри комп’ютерної пам’яті
11.4. Динамічна пам’ять
11.5. Статична пам’ять
11.6. Інші види пам’яті
11.7. Виявлення та виправлення помилок пам’яті
Час: 2 год.
Література: [2, 3].
11.1. Загальна характеристика
Пам’ять – це робоче місце комп’ютера. Ефективність роботи комп’ютера залежить від об’єму оперативного запам’ятовуючого пристрою. Слово “оперативне” значить, що процесор швидко отримує доступ до потрібних даних.
Під комп’ютерною пам’яттю зазвичай мається на увазі ОЗП (RAM), тобто фізична пам’ять системи, яка складається з мікросхем або модулів пам’яті, які використовуються процесором для зберігання основних, запущених у поточний момент, програм і даних. При цьому термін сховище даних відноситься не до оперативної пам’яті, а до таких пристроїв, як жорсткі диски і накопичувачі на магнітній стрічці (які, тим не менш, можна використовувати як різновид RAM, що отримала назву віртуальна пам’ять).
Працездатність всієї комп’ютерної системи залежить від характеристик підсистеми пам’яті в цілому. Підсистема пам’яті охоплює:
оперативну пам’ять;
кеш-пам’ять процесора;
контролер пам’яті;
шини даних і команд, що об’єднують всі елементи підсистеми.
Модуль пам’яті – це носій для групи мікросхем. Об’єм модуля пам’яті являється сумою об’ємів всіх мікросхем, які на ньому знаходяться.
Об’єм або ємність модуля пам’яті виражається в мегабайтах або мільйонах байтів. Що стосується мікросхем пам’яті, із яких складається модуль, то їх об’єм вимірюється в мегабітах, тобто мільйонах бітів. Кожна мікросхема пам’яті складається з сотен, тисяч або мільйонів комірок, в кожній з яких міститься один біт інформації. Відповідно, в 64 Мбітній мікросхемі міститься 64 мільйони комірок. В деяких типах мікросхем пам’ять ємкість виражається в описі організації комірок. Наприклад, одна і таж мікросхема в 64 Мбіт може володіти структурою 8×8 або 16×4.
Для визначення об’єму модуля пам’яті визначається ємкість мікросхеми у мегабітах і помножується результат на кількість мікросхем в модулі. Після цього ділиться загальна кількість мегабітів на 8 і отримується об’єм модуля в мегабітах.
Н
а
сучасних системних платах використовуються
модулі пам’яті DIMM, DDR1-DDR3 SDRAM. На рис. 6.1.
наведено модуль пам’яті DIMM SDRAM. Швидкодія
мікросхем пам’яті та систем в цілому
виражається в мегагерцах (МГц), тобто в
мільйонах тактів на секунду, або ж у
гігагерцах (ГГц), тобто в мільярдах
тактів на секунду.
Пам’ять DDR2 SDRAM. Модулі DDR2 нагадують звичайні DDR DIMM, проте мають більше контактів і трохи іншу конфігурацію настановних зазорів, що не дозволить помилково вставити їх у гніздо для модулів DDR. У конструкції модулів DDR2 передбачено 240 контактів, що істотно більше, ніж в модулях DDR і SDRAM DIMM.
11.2. Класифікація електронної пам’яті
Електронна пам’ять застосовується практично у всіх підсистемах ПК і класифікується на такі види:
оперативна пам’ять;
кеш-пам’ять;
постійна пам’ять;
напівпостійна пам’ять;
буферна пам’ять;
зовнішня пам’ять.
Оперативна пам’ять RAM (Random Access Memory, тобто пам’ять з довільним доступом) – частина комп’ютерної пам’яті, в якій тимчасово зберігаються дані та команди, необхідні процесору для виконання операцій, час доступу до якої не перевищує одного його такту. Обов’язковою умовою є адресація (кожне машинне слово має індивідуальну адресу) пам’яті. Передача даних в/з оперативну пам’ять процесором проводиться безпосередньо або через надшвидку пам’ять.
Пам’ять RAM – це масив кристалічних комірок, що здатні зберігати дані. З неї процесор бере програми та дані для обробки, до неї записуються отримані результати. Назву “оперативна” ця пам’ять одержала тому, що вона працює дуже швидко. Однак дані, що містяться в ній, зберігаються тільки поки комп’ютер включений. При вимиканні комп’ютера вміст оперативної пам’яті стирається.
Вимоги, що пред’являються до основної пам’яті:
великий (для електронної пам’яті) об’єм, обчислюваний сотнями мегабайт;
швидкодія та продуктивність, що дозволяє реалізувати обчислювальну потужність сучасних процесорів;
висока надійність зберігання даних – помилка навіть в одному біті може привести до помилок обчислень або до спотворення та втрати даних, причому іноді на зовнішніх носіях.
За фізичним принципом дії пам’ять поділяють на динамічну пам’ять DRAM та статичну пам’ять SRAM.
Комірки динамічної пам’яті DRAM можна представити у вигляді мікроконденсаторів, здатних накопичувати електричний заряд. Недоліки пам’яті DRAM: повільніше відбувається запис і читання даних, потребує постійної підзарядки. Переваги: простота реалізації і низька вартість. Мікросхеми динамічної пам’яті використовуються як основна оперативна пам’ять.
Комірки статичної пам’яті SRAM можна представити як електронні мікроелементи – тригери, що складаються з транзисторів. У тригері зберігається не заряд, а стан (включений/виключений). Перевага такого виду пам’яті полягає у значно більшій швидкодії. Недоліки: технологічно складніший процес виготовлення, і відповідно, більша вартість. Мікросхеми статичної пам’яті використовуються для кеш-пам’яті.
Обмін даними всередині процесора відбувається набагато швидше ніж обмін даними між процесором і оперативною пам’яттю. Тому, для того щоб зменшити кількість звертань до оперативної пам’яті, всередині процесора створюють так звану надоперативну або кеш-пам’ять.
Кеш-пам’ять (Cache Memory) – надоперативна пам’ять, яка є буфером між ОЗП і її “клієнтами” – процесором (одним або декількома) і іншими компонентами системної шини. Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається до кеш-пам’яті, і тільки якщо там потрібні дані відсутні, відбувається звертання до оперативної пам’яті. Чим більший розмір кеш-пам’яті, тим більша ймовірність, що необхідні дані знаходяться там. Тому високопродуктивні процесори оснащуються підвищеними обсягами кеш-пам’яті. Розрізняють кеш-пам’ять першого рівня (виконується на одному кристалі з процесором і має об’єм порядку декілька десятків Кбайт), другого рівня (виконується на окремому кристалі, але в межах процесора, з об’ємом в сто і більше Кбайт) та третього рівня (виконується на окремих швидкодійних мікросхемах із розташуванням на материнській платі і має обсяг один і більше Мбайт).
Кеш-пам’ять не є самостійним сховищем, інформація в ній не адресується клієнтами підсистеми пам’яті, присутність кеша для них “прозора”. Кеш зберігає копії блоків даних тих областей ОЗП, до яких відбувався останній обіг, і можливе подальше звернення до тих же даних, яке буде істотно швидше, ніж з оперативної пам’яті.
Постійна пам’ять ROM (Read Only Memory – пам’ять тільки для читання) використовується для незалежного зберігання системної інформації – BIOS таблиць знакогенераторів тощо.
В момент включення комп’ютера в його оперативній пам’яті відсутні будь-які дані, оскільки оперативна пам’ять не може зберігати дані при вимкненому комп’ютері. Але процесору необхідні команди, в тому числі і відразу після включення. Тому процесор звертається за спеціальною стартовою адресою, яка йому завжди відома, за своєю першою командою. Ця адреса вказує на пам’ять, яку прийнято називати постійною пам’яттю ROM або постійним запам’ятовуючим пристроєм (ПЗП). Мікросхема ПЗП здатна тривалий час зберігати інформацію, навіть при вимкненому комп’ютері. Ця пам’ять при звичній роботі комп’ютера тільки прочитується, а запис в неї (часто звана програмуванням) здійснюється спеціальними пристроями програматорами. Швидкодія постійної пам’яті звичайно нижча, ніж оперативної, але цей недолік може бути виправлений застосуванням тіньової пам’яті.
Комплект програм, що знаходиться в ПЗП, утворює базову систему введення/виведення BIOS. Основне призначення цих програм полягає втому, щоб перевірити склад та працездатність системи та забезпечити взаємодію з клавіатурою, монітором, жорсткими та гнучкими дисками.
Напівпостійна пам’ять в основному використовується для зберігання інформації про конфігурацію комп’ютера. Робота таких стандартних пристроїв, як клавіатура, може обслуговуватися програмами BIOS, але такими засобами неможливо забезпечити роботу з усіма можливими пристроями (у зв’язку з їх величезною різноманітністю та наявністю великої кількості різних параметрів). Але для своєї роботи програми BIOS вимагають всю інформацію про поточну конфігурацію системи.
З очевидних причин цю інформацію не можна зберігати ні в оперативній пам’яті, ні в постійній. Спеціально для цих цілей на материнській платі є мікросхема енергонезалежної пам’яті, яка за технологією виготовлення називається CMOS. Від оперативної пам’яті вона відрізняється тим, що її вміст не зникає при вимкненні комп’ютера, а від постійної пам’яті вона відрізняється тим, що дані можна заносити туди і змінювати самостійно, у відповідності з тим, яке обладнання входить до складу системи. Мікросхема пам’яті CMOS постійно живиться від невеликої батарейки, яка розташована на материнській платі. У цій пам’яті зберігаються дані про жорсткі диски, процесори та інші вузли ПК. Той факт, що комп’ютер чітко відслідковує дату і час, також пов’язаний з тим, що ця інформація постійно зберігається (і обновлюється) у пам’яті CMOS. Таким чином, програми BIOS зчитують дані про склад комп’ютерної системи з мікросхеми CMOS, після чого вони можуть здійснювати звертання до жорсткого диска та інших пристроїв.
Буферна пам’ять – це пам’ять різних адаптерів і контролерів (комунікаційних, дискових та ін.), звичайно вона розділяється між процесором (точніше, абонентами системної шини) і контролерами пристроїв. До цієї пам’яті відносяться і 16-байтні FIFO – буфери сом-портів, і 16-мегабайтні (і більше) кеш-буфери високопродуктивних SCSI-адаптерів. Специфічним типом буферної пам’яті є відеопам’ять дисплейного адаптера.
Зовнішня електронна пам’ять – застосовується у накопичувачі Flash Drive для блокнотних ПК і автономних контролерів та в інших конструктивних виконаннях.