1.4.1. Оперативная память

Очень важным элементом компьютера является основная или оперативная память (ОЗУ) компьютера. Она используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором и периферийными подсистемами (ввод / вывод, соединение и т.п.). Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее же записывают полученные результаты.

Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что пользователю не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи обратно. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только до тех пор, пока компьютер включен. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается. Такое свойство памяти также отражено в названии «оперативная» (память, используемая на данный момент работы компьютера).

Работа с компьютером на самом деле представляет собой работу, в основном, с опера­тивной памятью. Все программы после запуска «загружаются» в ОЗУ. Програм­ма, закончившая работу, освобождает занимаемое место в ОЗУ.

Конструктивно ОЗУ может быть представлена в виде наборов динамических и/или статических ячеек (Random Access Memory – RAM: память с произвольной выборкой).

В динамических ячейках (рис.8.1 а) значение бита информации определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, управляемом 1 – 2 транзисторами.

В статической памяти (рис.8.1 б) применяют специальные электронные элементы – триггеры, имеющие два устойчивых состояния и реализованные на 4 – 6 транзисторах.

Очевидно, что из-за ожидания накопления (стекания) заряда на пластинах конденсатора быстродействие динамических ячеек ниже. В то же время, поскольку в статических ячейках применяют большее количество транзисторов, то такие ячейки существенно дороже.

Ячейки динамической памяти образуют матрицу, состоящую из строк и столбцов. При считывании данных содержимое одной строки (строка считается страницей – Page) целиком переносится в буфер, реализованный на элементах статической памяти. После этого в строке считывается значение адресуемой ячейки и затем содержимое буфера вновь записывается в прежнюю строку. Такие переносы осуществляются путем изменения состояния ячеек, т.е. происходит перезарядка конденсатора. При этом, т.к. конденсаторы чрезвычайно малы, то высока вероятность непроизвольного изменения их состояния из-за паразитных утечек и наводок.

Для исключения непроизвольной перезарядки и, соответственно, утраты данных предусмотрены периодически повторяющиеся с определенной частотой циклы регенерации: 2К или 4К, что означает количество тысяч строк, обновляемых за один цикл. В 2К-циклах на регенерацию тратится меньшая мощность, циклы чередуются быстрее, поэтому чаще применяют именно этот режим.

Контроль четности применялся ранее в микросхемах памяти для проверки сохранения достоверности информации. Для этого при записи байта вычислялась двоичная сумма всех информационных битов, и результат записывался как отдельный контрольный разряд (бит четности). При чтении байта снова вычисляется сумма информационных битов и сравнивается с содержимым бита четности. В современных микросхемах динамической памяти совершенствование технологии производства сделало такую проверку излишней.

Выявление и исправление ошибок (коррекция ошибок) – это специальный алгоритм (ECC – Error Checking Correction), который заменил контроль четности в современных микросхемах памяти. Каждый бит данных включается в более чем в одну сумму, поэтому при возникновении в нем ошибки можно восстановить его адрес и исправить «сбившийся» бит. При сбое в двух и более битах ошибка лишь фиксируется, но не исправляется.

Для адресации ячеек памяти используют особенности матричной структуры. Полный адрес ячейки состоит из адресов строки и столбца.

Д ля считывания (записи) информации на микросхему сначала подается сигнал доступа к строке (RAS – Row Adress Strobe), а затем (одновременно или с небольшой задержкой) – код адреса строки. Вслед за этим через нормированное время задержки должен быть подан код адреса столбца, перед которым проходит сигнал доступа к столбцу (CAS – Column Adress Strobe). Под временем выборки микросхемы понимают промежуток времени между сигналами RAS.

Следующее обращение к памяти возможно только через некоторое время, называемое временем перезарядки и необходимое для восстановления внутренних цепей. Причем, время перезарядки составляет около 90% общего времени выборки.

Данные из ячеек поступают через усилители в регистр микросхемы, откуда они становятся доступными после открытия линии DOUT (Data Out), а при записи данные поступают по линии DIN (Data IN) и цикл проходит в обратном порядке.

Значительные задержки при считывании или записи данных обусловлены наличием очереди запросов от устройств, перемещаемых через единственную шину.

Последовательность операций в оперативной памяти между двумя последовательными актами чтения / записи называют циклом обращения (Access Cycle).

Промежуток времени, необходимый для полного цикла обращения к данным, находящимся по случайному адресу в ОЗУ, называют временем доступа (Access Time).

Последовательность операций между двумя циклами чтения / записи – например, сигнал RAS ► ввод адреса строки ► сигнал CAS ► ввод адреса столбца ► открытие линии данных – носит название организации цикла (Cycle Organization).

Общая структура микросхемы памяти. Помимо массива ячеек памяти микросхема содержит декодер адресов строк и столбцов, который получает сигналы RAS и CAS от контроллера памяти. Для минимизации размера адресного пакета применено мультиплексирование адресной линии и подключение к ней буферных регистров адресов рядов и колонок. Каждый столбец связан с транзисторным датчиком-усилителем, который обеспечивает считывание нужной ячейки и восстановление ее состояния. Иногда линейка таких датчиков-усилителей выполняет роль промежуточного буфера при передаче данных. К указанным элементам необходимо добавить схему регенерации, порты ввода / вывода, адресные и командные линии.