1.2 Принципи організації пам'яті

Комп'ютер працює в двійковій системі числення. Це зв'язано з тим, що транзистор може знаходитися в стані "виключений" чи "включений", що відповідає 0 чи 1. Два транзистори можуть визначати 4 різні комбінації: обоє виключені; обоє включені; перший включений, другий виключений; перший виключений, другий включений. За допомогою восьми транзисторів можна одержати 256 різних комбінацій. Щоб зберігати один байт інформації, знадобиться 8 транзисторів. З їхньою допомогою можна закодувати будь-який символ Американського стандартного коду для обміну інформацією (ASCII). За допомогою схеми, що складає з восьми ліній живлення, однієї лінії заземлення і восьми транзисторів можна одержати 8 станів включено/виключено і представити кожен з 256 символів коду ASCII.

1.3 Типи мікросхем пам’яті

• DRAM

Буква "D" в абревіатурі "DRAM" означає "динамічна", тобто для збереження даних, записаних у мікросхемі пам'яті, необхідна їхня періодична регенерація. Усі мікросхеми DRAM мають матричну організацію, причому кожен елемент матриці (мініатюрний конденсатор) зберігає один біт даних і адресується за допомогою наступних сигналів: RAS, адреса рядка, CAS і адреса стовпця.

Рис. 4. Плата DRAM

Цикл регенерації відбувається при фіксації адреси стовпця і циклічній зміні адреси рядка. Отже, чим менше рядків у матриці мікросхеми, тим коротше цикл регенерації.

У процесі удосконалювання технології виготовлення DRAM були розроблені інші типи пам'яті: РМ, FPM, EDO і SDRAM.

• FPM DRAM

Пам’ять типу DRAM, що реалізує сторінковий режим, називається FPM RAM (Fast Page Mode DRAM).

У мікросхемах FPM DRAM сигнал CAS використовується не тільки для адресації стовпця, але і для вказівки "терміну придатності" адреси, тобто часу, напротязі якого буде виконуватися зчитування даних. Память цього типу з'явилася в останніх моделях PC з CPU 80486 і отримала широке використання. Час доступу процесора до пам'яті при використанні мікросхем FPM DRAM (60 нс) скоротився на 40% в порівнянні з часом доступу до звичайних DRAM. Час робочого циклу чипов склав 35 нс. Проте, мікросхемам FPM DRAM не вдавалося "погнатися" за процесором, якщо частота системної шини перевищувала 28 Мгц.

• ЕDO DRAM

У комп'ютерах на базі CPU Pentium широко застосовується пам'ять типу EDO DRАМ (Extended Data Output – пам'ять з розширеним виводом даних).

Структурна схема EDO DRAM схожа на схему FPM DRAM. Відмінність є у тому, що для FPM DRAM лінії введення/виведення даних відключалися від системної шини, як тільки починалося завдання адреси наступного біта, а в режимі EDO (Extended Data Out) лінії залишаються підключеними до закінчення введення нової адреси і, відповідно, початку виведення наступного біта. Замість сигналу CAS для вказівки кінця операції читання використовується сигнал ОЕ (Output Enable). Таким чином, пам'ять EDO дозволяє одночасно зчитувати дані і задавати адресу наступних даних, що, у свою чергу, скорочує тривалість робочого циклу. Модулі пам'яті EDO працюють на 10-15% швидше, ніж FPM DRAM. Вони працюють без затримки із системними шинами, що працюють з тактовою частотою 50 МГц (1:20 нс = 50 МГц). Проте перевага EDO перед FPM виявляється лише при читанні даних – одночасне виконання операцій запису та адресації неможливе.

• ВEDO DRAM

Мікросхеми BEDO DRAM (Burst EDO) - це різновид EDO DRAM. Відмінність від EDO - у мікросхему BEDO додано спеціальний генератор номера стовпця. Після першого надходження на вхід мікросхеми адреси осередку і сигналів RAS і CAS, для наступних чотирьох стовпців сигнал AS генерується усередині мікросхеми.

Це призводить до того, що якщо при тактовій частоті системної шини 66 Мгц часова діаграма для FPM складає 6-3-3-3, для EDO - 5-2-2-2, то для BEDO - 4-1-1-1. Як видно, тимчасова діаграма BEDO подібна з діаграмою SDRAM, але BEDO не може працювати на тактовій частоті 100Мгц. Крім того, у той час, коли з'явилися мікросхеми BEDO DRAM корпорація Intel посилено просувала на ринок SDRAM.

ПК з CPU 8086 пам'яттю типу EDO і BEDO, як правило, не підтримується.

• PC100 SDRAM

При тактовій частоті системної шини 100 МГц багато мікросхем SDRAM працювали нестабільно, тому для такої системної шини корпорація Intel розробила специфікацію мікросхем пам'яті, що одержала назва PC 100.

Мікросхеми пам'яті PC 100 SDRAM випускаються в корпусі TSOP, а кількість виводів залежить від глибини адресного простору мікросхеми.

• Кеш-пам'ять SDRAM

Існує тип пам'яті, абсолютно відмінний від інших, - статична оперативна пам'ять (Static RAM - SRAM). Вона названа так тому, що, на відміну від динамічної оперативної пам'яті (DRAM), для збереження її вмісту не вимагається періодичної регенерації. Але це не єдина її перевага. SRAM має більш високу швидкодію, ніж DRAM, і може працювати на тій же частоті, що й сучасні процесори. Час доступу в пам'яті SRAM - не більший 2 нс; це означає, що така пам'ять може працювати синхронно з процесорами на частоті 500 МГц і вище. Однак для зберігання кожного біта в конструкції SRAM використовується кластер з шести транзисторів. Використання транзисторів без будь-яких конденсаторів означає, що немає необхідності в регенерації. (Адже якщо немає конденсаторів, то і заряди не втрачаються.) Поки подається живлення, SRAM буде пам'ятати те, що збережено. Чому ж тоді мікросхеми SRAM не використовуються для всієї системної пам'яті?

У порівнянні з DRAM швидкодія SRAM набагато вища, але щільність її набагато нижча, а ціна досить висока. Більш низька щільність означає, що мікросхеми SRAM мають великі габарити, хоча їх інформаційний об’єм набагато менший. Велике число транзисторів і кластерезоване їх розміщення не тільки збільшує габарити мікросхем SRAM, але і значно підвищує вартість технологічного процесу в порівнянні з аналогічними параметрами для мікросхем DRAM. Наприклад, об’єм модуля DRAM може дорівнювати 64 Мбайт або більше, в той час як об’єм модуля SRAM приблизно того ж розміру становить лише 2 Мбайт, причому їх вартість буде однаковою. Таким чином, габарити SRAM в середньому в 30 разів перевищують розміри DRAM, те ж саме можна сказати і про вартість. Все це не дозволяє використовувати пам'ять типу SRAM в якості оперативної пам'яті в персональних комп'ютерах. Незважаючи на це розробники все таки застосовують пам'ять типу SRAM для підвищення ефективності ПК. Але щоб уникнути значного підвищення вартості встановлюється тільки невеликий обсяг високошвидкісної пам'яті SRAM, яка використовується як кеш-пам'ять.

Кеш-пам'ять працює на тактових частотах, близьких або навіть рівних тактовим частотам процесора, причому зазвичай саме ця пам'ять безпосередньо використовується процесором при читанні і записі. Під час операцій читання дані у високошвидкісну кеш-пам'ять заздалегідь записуються з оперативної пам'яті з низькою швидкодією, тобто з DRAM. Ще недавно час доступу DRAM був не менший 60 нс (що відповідає тактовій частоті 16 МГц). Для перетворення часу доступу з наносекунд в мегагерци використовується наступна формула: 1/наносекунди × 1000 = МГц. Зворотне обчислення здійснюється за допомогою такої формули: 1/МГц × 1000 = наносекунди. Сьогодні пам'ять може працювати на частоті 1 Ггц і більшій, проте до кінця 1990-х років пам'ять DRAM була обмежена швидкодією 16 нс (16 МГц).

Коли процесор ПК працював на тактовій частоті 16 МГц і меншій, DRAM могла бути синхронізована з системної платою і процесором, тому кеш був не потрібен. Як тільки тактова частота процесора піднялася більше 16 МГц, синхронізувати DRAM з процесором стало неможливо, і саме тоді розробники почали використовувати SRAM в персональних комп'ютерах. Це відбулося в 1986 і 1987 роках, коли з'явилися комп'ютери з процесорами 386, що працюють на частотах 16 і 20 МГц. Саме в цих ПК вперше знайшла застосування так звана кеш-пам'ять, тобто високошвидкісний буфер, побудований на мікросхемах SRAM, який безпосередньо обмінюється даними з процесором. Оскільки швидкодію кеша можна порівняти з процесорною, контролер кеша може передбачати потреби процесора в даних і попередньо завантажувати необхідні дані у високошвидкісну кеш-пам'ять. Тоді при видачі процесором адреси пам'яті дані можуть бути передані з високошвидкісного кеша, а не з оперативної пам'яті, швидкодія якої набагато менша. Ефективність кеш-пам'яті виражається коефіцієнтом попадання, або коефіцієнтом успіху. Коефіцієнт попадання дорівнює відношенню кількості вдалих звернень до кеш до загальної кількості звернень. Попадання - це подія, що полягає в тому, що необхідні процесору дані вже попередньо зчитані в кеш з оперативної пам'яті, інакше кажучи, у разі попадання процесор може зчитувати дані з кеш-пам'яті.

Невдалим вважається таке звернення в кеш, при якому контролер кеша не передбачив потреби в даних, що знаходяться за вказаною абсолютною адресою. У такому разі необхідні дані не були попередньо зчитані в кеш-пам'ять, тому процесор повинен відшукати їх у більш повільній оперативній пам'яті, а не в швидкодіючому кеші. Коли процесор зчитує дані з оперативної пам'яті, йому доводиться деякий час "очікувати", оскільки тактова частота оперативної пам'яті значно нижча частоти процесора. Якщо процесор з вбудованою в кристал кеш-пам'яттю працює на частоті 3,6 Ггц на шині 800 МГц, то тривалість циклу процесора і інтегральної кеш-пам'яті в цьому разі досягне 0,28 нс, в той час як тривалість циклу оперативної пам'яті буде в п'ять разів більша, тобто приблизно 1,25 нс для пам'яті DDR2. Отже, в тому випадку, коли процесор з тактовою частотою 3,6 ГГц зчитує дані з оперативної пам'яті, його робоча частота зменшується в 5 разів, досягаючи 800 МГц. Це уповільнення зумовлене періодом очікування (wait state).

Якщо процесор знаходиться в стані очікування, то протягом усього циклу (такту) ніякі операції не виконуються; процесор, по суті, чекає, поки необхідні дані надійдуть з більш повільною оперативної пам'яті. Тому саме кеш-пам'ять дозволяє скоротити кількість "простоїв" і підвищити швидкодію комп'ютера в цілому. Щоб мінімізувати час очікування при зчитуванні процесором даних з повільної оперативної пам'яті, в сучасних ПК звичайно передбачені три типи кеш-пам'яті: кеш-пам'ять першого рівня (L1), кеш-пам'ять другого рівня (L2) і кеш-пам'ять третього рівня (L3). Кеш-пам'ять першого рівня також називається вбудованим або внутрішнім кешом; він безпосередньо вбудований в процесор і фактично є частиною мікросхеми процесора. У всіх процесорах 486 і більше нових кеш-пам'ять першого рівня інтегрована в мікросхему, що значно підвищило їх швидкодію в порівнянні з попередніми моделями. Кеш-пам'ять другого рівня називається вторинним або зовнішнім кешом. У момент своєї появи він встановлювався поза мікросхемою процесора; так було у всіх комп'ютерах на основі процесорів 386, 486 і Pentium. Якщо кеш-пам'ять другого рівня встановлена на системній платі, то вона працює на її частоті. У цьому випадку кеш-память другого рівня зазвичай містилася поруч з роз'ємом процесора.

Починаючи з 1999 року кеш-пам'ять другого рівня стала частиною процесора, оскільки була інтегрована безпосередньо в ядро процесора на рівні з кеш-пам'яттю першого рівня. При цьому кеш-пам'ять другого рівня працює на повній частоті процесора, забезпечуючи на порядок більшу продуктивність. Кеш-пам'ять другого рівня в багатьох старих процесорах працювала на частоті, що становить половину або одну третину частоти ядра процесора. Швидкодія кеш-пам'яті має особливе значення, тому комп'ютери з кеш-пам'яттю, що представляє собою окрему мікросхему, встановлену на системній платі, володіли невеликою продуктивністю. Перенесення кеш-пам’яті в один корпус з процесором поліпшив стан справ, а додавання кеш-пам’яті безпосередньо в ядро забезпечило оптимальні результати. Таким чином, будь-який процесор з кеш-пам'яттю другого рівня, інтегрованої в ядро і яка працює на повній частоті процесора, має значні переваги у швидкодії в порівнянні з іншими схемами використання кеш-пам'яті другого рівня. Кеш-пам'ять третього рівня вперше була представлена в процесорах для робочих станцій і серверів. Першим процесором для настільних ПК, у якому використовувався кеш третього рівня, був представлений в кінці 2003 року процесор Pentium 4 Extreme Edition; він був оснащений інтегрованим кешем третього рівня об’єм ом 2 Мбайт. Хоча на момент подання процесорів Pentium 4 Extreme Edition, оснащених кеш-пам'яттю третього рівня, здавалося, що це стане стандартною властивістю всіх наступних процесорів, нові версії Pentium 4 Extreme Edition (а також його спадкоємця, Pentium Extreme Edition) кеш-пам'яттю третього рівня вже не оснащувалися. Замість цього був значно збільшений об’єм кеш-пам'яті другого рівня. Ключ до розуміння особливостей кеш-пам’яті і основної пам'яті полягає в розумінні того, як пам'ять різних типів впливає на загальну швидкодію системи.

Спочатку кеш-пам’ять проектувалася як асинхронна, тобто не була синхронізована з шиною процесора і могла працювати на іншій тактовій частоті. При впровадженні набору мікросхем системної логіки 430FX на початку 1995 року був розроблений новий тип синхронної кеш-пам’яті . Вона працює синхронно з шиною процесора, що підвищує її швидкодію і ефективність. У той же час був доданий конвеєрний монопольний режим (pipeline burstmode), який скорочує загальну кількість циклів очікування за рахунок декількох операцій зчитування, які виконуються за один такт, після завершення першої операції. У нових модулях пам'яті присутні обидва ці режими (синхронний та конвеєрний монопольний), що підвищує загальну продуктивність системи приблизно на 20%. У системах на базі процесора Pentium і більш ранніх контролер кеш-пам’яті знаходився на мікросхемі північного мосту; у всіх нових системах, починаючи з Pentium II і Athlon, він вбудований в процесор. Можливості цього контролера зумовлюють ефективність і характеристики кеш-пам’яті . Важливо відзначити, що контролери кеш-пам’яті більшості старих систем мали обмеження на обсяг кешованої пам'яті. Часто ця межа могла бути досить низькою, як у випадку набору мікросхем системної логіки 430TX для комп'ютерів на основі Pentium. Цей набір мікросхем міг кешувати дані тільки перших 64 Мбайт оперативної пам'яті системи. Якщо встановлений більший об’єм пам'яті, робота комп'ютера значно сповільнюється, тому що всі дані поза перших 64 Мбайт ніколи не потраплять в кеш, і при зверненні до них завжди будуть необхідні всі стани очікування, що визначаються повільнішою динамічної оперативною пам'яттю. Зниження ефективності залежить від програмного забезпечення і від адрес, за якими зберігаються дані в пам'яті. Наприклад, 32- розрядні операційні системи Windows завантажуються зверху вниз, так що якщо встановлена оперативна пам'ять ємністю 96 Мбайт, то й операційна система, і прикладні програми будуть завантажуватися у верхні 32 Мбайт, які не кешуються. Це значно сповільнить роботу комп'ютера в цілому. У даному випадку можна видалити додаткову пам'ять, щоб зменшити місткість до 64 Мбайт. Іншими словами, нерозсудливо встановлювати більший об’єм пам'яті, ніж дозволяє кешувати набір мікросхем системної логіки. На щастя, це обмеження вже знято в процесорах Pentium III і більш нових, які здатні кешувати весь доступний об’єм пам'яті.

Набори мікросхем системної логіки для Pentium Pro і більш пізніх моделей не дозволяють управляти кеш-пам'яттю другого рівня, так як вона вбудовується в процесор. Тому при використанні Pentium II і процесорів наступних версій встановлюються певні обмеження кешування пам'яті. Pentium Pro і перші версії Pentium II могли кешувати пам'ять лише в межах перших 512 Мбайт адресного простору. У більш пізніх процесорах з'явилася можливість кешувати всю адресовану пам'ять, аж до 64 Гбайт, що набагато більше того, що можуть підтримувати набори мікросхем системної логіки.

• ESDRAM

Мікросхеми ESDRAM є розширенням мікросхем SDRAM. В мікросхемі інтегровані елементи SRAM, що дозволяють працювати на частоті системної шини 66, 100 і 166 Мгц. Час робочого циклу скоротився до 8 нс. Мікросхеми цілком сумісні з PC 100 SDRAM.

SDRAM II чи DDR SDRAM (Double Date Rate – подвоєна швидкість передачі даних) є наступним поколінням SDRAM. На відміну від DRAM пам'ять цього типу має ряд удосконалень, що дозволяють підвищити її швидкодію в 2 рази. При використанні технології DDR можна читати дані по фронту і спаду тактового сигналу системної шини, що дає можливість виконувати два звертання до пам'яті за час одного циклу до стандартного SDRAM.