4.2. Оперативная память

Элементы памяти составляют основу внутреннего функционирования любой вычислительной системы, так как с их помощью данные хранятся и могут быть вновь прочитаны при дальнейшей обработке.

Чтобы центральный процессор мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную память (в область памяти, доступную для программ пользователя). CPU имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти

С периферийной или внешней памятью (гибкими и жёсткими дисками) процессор работает через буфер, являющийся разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю.

Только после того, как программное обеспечение будет считано в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая работа системы в целом. Оперативная память представляет собой самую быструю запоминающую среду компьютера. Принципиально имеет значение то, что информация может быть как записана в неё, так и считана.

Оперативная память имеет свои достоинства и недостатки.

Благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения выполнения той или иной операции много времени

Недостатком оперативной памяти является то, что она является временной памятью. При отключении питания оперативная память полностью очищается, и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны.

Оперативная память принадлежит к категории динамической памяти, т. е. её содержимое во время эксплуатации должно перезаписываться через определённые интервалы времени.

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая «1». Если конденсатор разряжен, то в ячейку записан логический «0».

В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неопределенно долго. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому записанная в динамическую память информация со временем будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов через несколько миллисекунд полностью разрядятся. Во избежание потери информации существует процесс регенерации памяти (Refresh).

Оперативная память представляет собой плату (за исключением старых моделей PC, где микросхемы устанавливались прямо в материнскую плату), длинной около восьми см, на которой размещены микросхемы DRAM (Dynamic RAM).

Такая плата называется модулем и устанавливается в соответствующие слоты материнской платы. Наибольшее распространение в последнее время получили DIMM-модули. Также имели место SIP и SIMM-модули. Модули вставляются в специально предназначенные для них слоты на материнской плате, называемые банками (Banks).

Важной характеристикой (помимо объёма) оперативной памяти является время доступа, которое характеризует интервал времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее. Время доступа для внешних носителей, таких как гибкий или жесткий диски, выражается в миллисекундах, а для элементов памяти оно измеряется наносекундами.

  Логическое распределение оперативной памяти определяется не только применяемой операционной системой, но и особенностями аппаратной реализации IBM-совместимых PC.

Можно выделить три важнейшие логические области оперативной памяти:

1. Стандартная оперативная память (Conventional Memory). Важнейшая область памяти (первые 640 Кб). В ней расположена большая часть всех прикладных программ и данных.

2. UMA (Upper Memory Area). Здесь находится информация, которая служит для сопряжения прикладных программ с различными картами расширений (384 Кб расположенные между 640Кб и 1Мб)

3. XMS (Extended Memory Specification). Вся память выше 1Мб. Используется Windows-приложениями.

Из микросхем памяти (RAM) используются два основных типа:

- статическая (SRAM - Static RAM);

- динамическая (DRAM - Dynamic RAM).

В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров (схем с двумя устойчивыми состояниями). После записи бита в такую ячейку, она может пребывать в этом состоянии сколько угодно долго, необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на неё подаётся полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы-десятки наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную плотность данных и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве буферной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе областей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, сохраняющийся в течение нескольких миллисекунд.

Для постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать (перезаписывать) содержимое для восстановления зарядов. Ячейки микросхем динамической памяти организованы в виде прямоугольной или квадратной матрицы.

При обращении к микросхеме на её входы вначале подастся адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки), а через некоторое время - адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца).

При каждом обращении к ячейке регенерируют все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенерации матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки динамической памяти имеют большее время срабатывания (десятки-сотни наносекунд), но большую удельную плотность и меньшее энергопотребление.

Динамическая память используется в качестве основной. Обычные виды SRAM и DRAM называют также асинхронными, поскольку установка адреса, подача управляющих сигналов и чтение/запись данных могут выполняться в произвольные моменты времени, что необходимо только соблюдение временных соотношений между этими сигналами.

В эти временные соотношения включены так называемые охранные интервалы, необходимые для стабилизации сигналов, не позволяющих достичь теоретически возможного быстродействия памяти.

Существуют также синхронные виды памяти, получающие внешний синхросигнал, к импульсам которого жёстко привязаны моменты подачи адресов и обмена данными; помимо экономии времени на охранных интервалах, они позволяют более полно использовать внутреннюю конвейеризацию и блочный доступ.

Существуют следующие виды оперативной памяти:

1. FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) - динамическая память с быстрым страничным доступом. Память со страничным доступом позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находится внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей, и снизить накладные расходы на регенерацию памяти.

2. EDO (Extended Data Out) – динамическая память с расширенным временем удержания данных на выходе. Фактически эта память представляет собой обычные микросхемы FPM, на выходе которых установлены регистры-защёлки данных. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память ничем не отличается от обычной.

3. BEDO (Burst EDO - EDO с блочным доступом) – это память на основе EDO, работающая не с одиночными, а пакетными циклами чтения/записи. Современные процессоры, благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд и данных, обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной ширины. В случае памяти BED O отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением требуемых временных задержек, достаточно перейти к очередному слову отдельным сигналом.

4. SDRAM (Synchronous DRAM) – это синхронная динамическая память, т.е. память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной (FPM/EDO/BEDO). Помимо синхронного метода доступа SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где не требуется дополнительных тактов ожидания. При случайном доступе SDRAM работает практически с той же скоростью, что и FPM/EDO.

5. РВ SRAM (Pipelined Burst SRAM) – это статическая память с блочным конвейерным доступом, разновидность синхронных SRAM с внутренней конвейеризацией, за счет чего примерно вдвое повышается скорость обмена блоками данных.

6. DDR SDRAM (DDR - Double Data Rate, SDR - Single Data Rate) – это синхронная динамическая память. Аббревиатура DDR в названии памяти означает удвоенную скорость передачи данных. Аналогично, обычную SDRAM-память называют SDR памятью, то есть памятью с одинарной скоростью передачи.

Самый простой способ увеличения максимальной пропускной способности памяти заключается в увеличении частоты работы памяти. Однако на практике реализовать это совсем не просто. Вспомним, что элементарной ячейкой динамической памяти является конденсатор, инерционное по своей природе устройство. Для того чтобы произвести считывание информации с конденсатора, необходимо его разрядить, для чего требуется определенное время, пропорциональное ёмкости конденсатора, сделать это мгновенно невозможно.

Следовательно, нельзя повышать частоту ядра памяти до бесконечности. Кроме того, динамическая память требует периодической регенерации, чтобы восстанавливать заряды конденсаторов, а для зарядки конденсаторов тоже необходим определенный временной интервал. В результате повышение частоты ядра памяти сопряжено с непреодолимыми трудностями. Конечно, применение более миниатюрных конденсаторов повышает их быстродействие, однако для этого нужно использовать иную проектную норму при производстве чипов памяти. К тому же переход на новый технологический процесс производства не может кардинально увеличить скорость работы памяти.

Поэтому, кроме банального увеличения частоты работы памяти, для увеличения ее пропускной способности часто используют иные приемы. О некоторых приемах, таких как пакетный режим передачи и организация чередующихся банков, мы уже упоминали. Однако более кардинальным способом увеличения пропускной способности памяти стал переход к стандарту DDR. Синхронная динамическая память DDR SDRAM пришла на смену памяти SDRAM и обеспечивает в два раза большую пропускную способность.

Как уже отмечалось, основным сдерживающим элементом увеличения тактовой частоты работы памяти является само ядро памяти (массив элементов хранения). Однако кроме ядра памяти в модуле присутствуют и буферы промежуток ких частотах, а во-вторых, позволяет использовать при разгоне системы. Кроме того, при использовании этих типов памяти на частоте 400 МГц возможно уменьшение таймингов памяти (идеальный случай соответствует таймингу 2-2-2), что можно рассматривать как своеобразный разгон памяти.

7. DDR2 SDRAM – это синхронная динамическая память.

Если следовать терминологии SDR (Single Data Rate), DDR (Double Data Rate), то память DDR2 было бы логично назвать QDR (Quadra Data Rate), так как этот стандарт подразумевает в четыре раза большую скорость передачи.

То есть в стандарте DDR2 при пакетном режиме доступа данные передаются четыре раза за один такт. Для организации данного режима работы памяти необходимо, чтобы буфер ввода-вывода работал бы на учетверенной частоте по сравнению с частотой ядра памяти.

Достигается это следующим образом: ядро памяти, как и прежде, синхронизируется по положительному фронту тактирующих импульсов и с приходом каждого такого положительного фронта по четырем независимым линиям передают в буфер ввода- вывода четыре бита информации (выборка четырех битов за такт). Сам буфер ввода-вывода тактируется на удвоенной частоте ядра памяти и синхронизируется как по положительному, так и по отрицательному фронту этой частоты.

То есть с приходом положительного и отрицательного фронта происходит передача бит в мультиплексном режиме на шину данных. Это позволяет за каждый такт работы ядра памяти передавать четыре бита на шину данных, то есть вчетверо повысить пропускную способность памяти.

8. DDR3 SDRAM - это синхронная динамическая память.

Основное отличие от DDR2 – это способность работать на более высокой частоте. Модули DDR3 также как и DDR2 имеют 240 контактных площадок, но при этом используются другие «ключи» (ориентирующие прорези), что делает их несовместимыми со старыми слотами.