1.4.5. Статическая оперативная память

Статическая память (Static RAM). Организация элементов статической памяти идентична организации элементов динамической памяти, за исключением того, что элементы SRAM не нуждаются в процессе регенерации. Оперативная память на основе статических элементов обеспечила бы значительное повышение быстродействия персонального компьютера. Время доступа к DRAM составляет 60 – 100 нс, а для элементов SRAM ~ 10 – 15 нс. Однако при этом значительно увеличилась бы и стоимость вычислительного комплекса. Поэтому элементы SRAM устанавливают только для выполнения специальных задач, важнейшей из которых является, естественно, кэширование.

Являясь оперативной памятью, элементы SRAM также для сохранения данных должны иметь постоянное электрическое питание, иначе сохраненная информация будет утеряна. При этом потребляемый элементом SRAM ток настолько мал, что при наличии соответствующего аккумулятора для энергонезависимого питания содержимое памяти на таких элементах остается неизменным около двух лет, даже если в течение этого срока компьютер ни разу не был включен.

КЭШ-память. Необходимым элементом подсистемы памяти персонального компьютера является т.н. кэш-память (англ.: Cashe – запас, заначка, склад). Она служит в качестве буфера при обмене между процессором и ОЗУ. Поскольку кэш организован на ячейках, имеющих время доступа на порядок меньше, то процессор обрабатывает данные из кэш-памяти сразу, практически исключая время ожидания доступа к данным из ОЗУ. Это достигается предварительным копированием данных в кэш, до того момента, когда они необходимы процессору.

Кэш-память состоит из трех основных элементов:

• контроллера кэш-памяти, координирующего потоки данных между ОЗУ и кэш-памятью, между кэш-памятью и процессором. Контроллер сообщает процессору, имеются ли еще в кэш-памяти необходимые данные;

• кэш-памяти данных (Data RAM);

• кэш-памяти адресов (Tag RAM), которая содержит информацию о местоположении необходимых данных в кэш-памяти. Когда нужно получить данные, процессор обращается первоначально к Tag RAM и определяет наличие и местоположение в Data RAM этих данных, а если требуемой информации в Data RAM нет, то уже тогда процессор обращается к более медленной ОЗУ (рис.10.1).

Расположенную на системной плате кэш-память обычно относят ко второму уровню (L2 – level 2), т.к. в процессорах, начиная с Intel 80486, имеется встроенная аналогично организованная кэш-память первого уровня (L1 – Level 1). В современных процессорах фирм Intel и AMD кэш-память второго уровня также встроена, поэтому кэш на материнской плате относится уже к третьему уровню (L3 – Level 3).

Кэш-память применяют также в качестве буфера в таких устройствах хранения данных, как, например, в жестких дисках, CD-ROM, DVD-ROM и т.п.

Принцип кэширования применяется также и в процессе чтения / записи данных с винчестера. В этом случае кэш-память винчестера обеспечивает синхронизацию времени доступа к данным на диске с быстродействием шины данных. Данные с диска записываются в кэш-память, размещенную на самом винчестере, так что при повторном обращении к винчестеру уже нет необходимости в механическом считывании этих данных. Емкость кэш-памяти винчестера обычно составляет 128 – 512 Кб.

Кэш-памятью управляет контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и «подкачивает» их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, т.е., если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэш-памяти отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Параметры работы кэш-памяти сильно влияют на производительность всей подсистемы памяти. Кэш первого уровня практически у всех современных процессоров работает на частоте ядра (~ 1 ГГц у Pentium III), но объем такой памяти сравнительно невелик ( ~ 16 ÷ 64 Кбайт) и, к тому же поделен примерно пополам между адресами и данными.

Обеспечить стабильную работу статических микросхем (триггеры) большой емкости на высоких частотах чрезвычайно трудно, т.к. выделяемая транзисторами тепловая энергия может привести к необратимому пробою микросхемы. Для решения этой проблемы найдено два подхода.

Во-первых, объем КЭШ, интегрированного с ядром процессора, уменьшается до приемлемых величин. Например, процессор Celeron имеет кэш L2 ~ 128 Кбайт.

Во-вторых, кэш уровня L2 изымается из ядра, но остается на плате процессора. Связь с ядром осуществляет специальная высокоскоростная шина, позволяющая работать кэш-памяти на половинной частоте ядра.

1.4.6. Микросхемы статической оперативной

памяти. Другие микросхемы

Существуют следующие виды статической памяти.

Микросхемы типа Async SRAM (Asynchronous SRAM – асинхронная SRAM) имеют простейший интерфейс, подобный интерфейсу динамических элементов, включающий шины адреса, данных и управления. Время доступа составляет 12, 15 или 20 нс. Это позволяет процессору читать данные в пакетном режиме без тактов ожидания лишь на тактовой частоте системной шины до 33 МГц.

Микросхема типа Sync Burst SRAM (Synchronous Burst SRAM – синхронная пакетная SRAM) обеспечивает такой режим на частотах работы системной шины 50, 60 и 66 МГц и имеет время доступа 8,5, 10 и 13,5 нс, соответственно.

Микросхема типа PB Burst SRAM (Pipelined Burst SRAM – конвейерная пакетная SRAM) представляет собой усовершенствованную Sync Burst SRAM с тем же интерфейсом. Конвейерная архитектура позволяет обеспечивать тот же режим на частотах свыше 75 МГц с временами доступа 12, 13 и 15 нс.

NVRAM (Non Volatile – не временная) используется для долговременного хранения данных, которые ни в коем случае не долж­ны быть утеряны. Они не нуждаются в электропитании. Энергонезависимая память используется для хранения кода BIOS компьютера, BIOS карт расширения, конфигурации периферийных устройств, скан-кода клавиатуры и др.

PROM (Programmable Read Only Memory – программируемые ROM) программируются однократно после изготовления специальными программаторами и не чувствительны к электромагнитным полям. Они появились взамен микросхем ROM, которые программировались на этапе изготовления и не позволяли изменять записанную в них информацию.

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory – стираемые и перепрограммируемые ROM) до недавнего времени были самыми распространенными носителями BIOS системы и карт расширения. Перепрограммирование осуществляют при помощи специального программатора, подключаемого к СОМ или LPT порту.

Стирание информации осуществляют применением ультрафиолетового излучения через специальное окно (если оно имеется) или рентгеновским излучением. Запись может производиться побайтно в любую ячейку микросхемы при помощи электрических сигналов.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory или Flash Memory) стирается при помощи электрических сигналов и может быть перезаписана без специального программатора непосредственно в персональном компьютере. Основные преимущества такой микросхемы – малое время доступа и малая длительность процесса стирания информации. Работа ячейки памяти основана на физическом эффекте Фаули – Нордхайма.

Большинство микросхем BIOS к типу Flash EEPROM. Для установки новой версии BIOS необходима специальная программа (прошивальщик) и файл с новой версией.

FRAM (Ferroelectric RAM). Принцип работы таких микросхем основан на особенностях физики сегнетоэлектриков. В памяти FRAM применяется тонкая пленка на основе сплавов оксидов металлов (титана, циркония, свинца и т.п.).

А том, расположенный по центру кристаллической ячейки (черный шарик), может быть перемещен под действием электрического заряда вверх или вниз с фиксацией нового положения. Смещение в одну сторону соответствует логическому «0», а в другую – логической «1». Причем допускается многократная перезарядка.

Такая память имеет преимущества динамической DRAM (возможность многократной перезаписи), статической SRAM (малое время доступа и перезаписи) и ROM (энергонезависимость).

MRAM (Magnetic RAM) представляет собой новое поколение энергонезависимой памяти. Основой является многослойный магнитный вентиль на полупроводниковом кристалле с временем цикла чтение / запись ~ 6 нс.