4. 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. Центральный процессор имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти (RandomAccessMemory- RAM - память с произвольным доступом). Оперативная память представляет собой быструю запоминающую среду компьютера.

Перед оперативной памятью поставлена задача, по требования центрального процессора предоставлять необходимую информацию. Это означает, что данные в любой момент должны быть доступны для обработки. Элементы памяти являются “временными” запоминающими устройствами. Это связано не только с подачей питания, но и со строением самих модулей памяти.

Каждый элемент оперативной памяти представляет собой систему электронных ключей и конденсатор, хранящий информацию в виде заряда. Этот конденсатор не идеальный, его емкость не слишком велика, а вследствие того, что он сформирован в полупроводниковом переходе, расположенном в толще кристалла кремния, появляются еще и дополнительные сопротивления, через которые заряд стекает с конденсатора (одновременно искажая информацию в соседних ячейках). Наличие заряда на конденсаторе соответствует логической единице. Время устойчивого хранения информации в ячейке оперативной памяти составляет обычно несколько миллисекунд. После этого информацию необходимо перезаписать. Такая процедура перезаписи получила название регенерации памяти (Refresh).

Единственным способом регенерации хранимой в памяти информации является выполнение операций чтения или записи данных из памяти. Если информация заносится в оперативную память, а затем в течение нескольких миллисекунд остается невостребованной, она будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих устройств полностью разрядятся.

Регенерация памяти происходит при выполнении каждой операции чтения или записи данных в оперативную память. При выполнении любой программы нельзя гарантировать, что произойдет обращение ко всем ячейкам оперативной памяти. Поэтому имеется специальная схема, которая через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) осуществляет доступ (для считывания) ко всем строкам оперативной памяти. В эти моменты центральный процессор находится в состоянии ожидания. За один цикл схема осуществляет регенерацию всех строк оперативной памяти.

Принцип работы оперативной памяти заключается в следующем. Обычно ячейки памяти конфигурируются в матрицу строк и столбцов и полный адрес ячейки данных (1 бита информации) делится на два компонента — адрес строки (rowaddress) и адрес столбца (columnaddress). Для передачи на микросхему памяти адреса строки служит сигнал RAS (RowAddressStrobe), а для адреса столбца — сигнал CAS (ÑolumnAddressStrobe).

В процессе обращения к микросхеме динамической памяти для записи и считывания информации на ее адресные входы подается вначале — кол адреса и одновременно с ним сигнал RAS, затем с незначительной задержкой, код адреса столбца, сопровождаемый сигналом CAS. Время доступа к блоку RAM определяется в первую очередь временем чтения (разряд конденсатора) и регенерации (заряд конденсатора).

Рассмотрим подробнее, как работает динамическая память. При обращении к памяти (независимо от того чтение это или запись) на входы памяти подается адрес строки и сигнал RAS. Это значит, что каждая шина столбца соединяется с ячейкой памяти выбранной строки (рис. 1.). Поскольку информация хранится в виде заряда конденсатора, то для того чтобы считать записанную в ячейке информацию, необходимо устройство с высоким входным сопротивлением, ограничивающим ток разряда конденсатора, чтобы избежать тока утечки. Таким устройством является считывающий усилитель, подключенный к каждой шине столбца динамической памяти. Информация считывается со всей строки запоминающих элементов одновременно и помещается в регистр.

Как уже отмечалось выше, с незначительной задержкой после сигнала RAS на входы динамической памяти подается адрес столбца и сигнал CAS. При чтении в соответствии с адресом столбца данные выбираются из регистра строки и подаются на выход динамической памяти.

При считывании информации из запоминающих ячеек считывающие усилители разрушают ее, поэтому для сохранения информации необходима ее перезапись: выходы регистра строки снова соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы перезаписать считанную из строки информацию.

Если выполняется цикл записи в память, то подается сигнал WR (Write) и информация поступает на общую шину столбца не из регистра, а с информационного входа памяти через коммутатор, определенный адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи определяется комбинацией сигналов адреса столбца и строки и разрешения записи данных в память. При записи данные из регистра строки на выход (Do) не поступают.

В зависимости от материнской платы используются различные типы элементов памяти. Описанные далее микросхемы DRAM устанавливаются обычно на на платах с процессором 80286, на карты расширения памяти и на старые материнские платы класса 386SX. В современных материнских платах элементы памяти DRAM не устанавливаются. Здесь используются модули SIMM или DIMM, имеющие хорошие скоростные характеристики и высокую надежность. Далее описаны основные микросхемы памяти, используемые в персональных компьютерах.

Буква D в названии DRAMобозначает динамический (Dynamic). Говоря об этом типе оперативной памяти, подразумевается микросхема с так называемым DIP-корпусом (Dual In-line Packade — корпус с 2-хрядным расположением выводов). Элементы DRAM в виде отдельных микросхем обычно устанавливаются на старых материнских платах. В настоящее время эти микросхемы используются в качестве составных модулей памяти, таких как SIP и SIMM-модули.

SIP-модули представляют собой микросхемы с однорядным расположением выводов (Single In-line Packade). SIP-модуль — это небольшая плата с установленными на ней совместимыми чипами DRAM. Такая плата имеет 30 выводов. Однако при установке и извлечении таких модулей тонкие ножки выводов часто ломались.

Модуль SIMM — по своим размерам соответствует SIP-модулю. Разница, прежде всего, в конструкции контактов, которые находятся на одном краю платы. Обычно SIMM-модули оборудованы микросхемами памяти общей емкостью 8, 16 и 32 Мб.

В последнее время на многих современных компьютерах появились слоты для 168-контактных модулей памяти DIMM(Dual In-line Memory Modyle). Модули DIMM обладают внутренней архитектурой, схожей с 72-контактными модулями SIMM, но благодаря более широкой шине обеспечивают повышенную производительность подсистемы “Центральный процессор — оперативная память”.

Микросхемы памяти, реализующие страничный режим, называют FPM DRAM(Fast Page Mode Dram). Этот тип памяти появился в последних моделях компьютеров с процессором 80486 и получил широкое распространение. Время доступа процессора к памяти при использовании микросхем FPM DRAM сокращается на 50% по сравнению с обычными DRAM.

В PC с процессором Pentium широко применяется память типа EDO DRAM— память с расширенным выводом данных (Extended Data Output). За счет наличия дополнительных регистров для хранения данных увеличивается объем данных, выводимых из памяти в единицу времени. Модули EDO RAM работают на 10-15% быстрее, чем FPM DRAM.

Центральный процессор, работающий на частоте 100 МГц, выполняет одну или более операцию каждые 10 нс. Микросхемы EDO RAM и FPM DRAM имеют время обращения 60 нс. Микросхемы CDRAM (Cache DRAM) иEDRAM(Enhanced DRAM) основаны на интеграции небольшого количества ячеек быстрой памяти SRAM, речь о которых пойдет далее. Например, на одном кристалле могут находиться 4 Мб DRAM и 16 Кб SRAM. Интегрированные элементы SRAM в данном случае можно рассматривать, как “кэш, встроенный в памяти”. Использование подобного типа памяти позволяет повысить быстродействие памяти.

SDRAM(Sychronous DRAM) — это новая технология микросхем динамической памяти. Основное отличие данного типа памяти от остальных заключается в том, что все операции синхронизированы с тактовой частотой процессора, то есть память и CPU работают синхронно. Технология SDRAM позволяет сократить время, затрачиваемое на выполнение команд и передачу данных, за счет исключения циклов ожидания.

Одной из наиболее быстродействующих является память RDRAM(Rambus RAM), разработанная американской компанией Rambus. Память RDRAM является 9-разрядной, тактируется частотой 250 МГц и достигает пиковой скорости передачи данных 500 Мб/с. Стоимость подобного типа памяти еще достаточно высока.

В таблице 1. Представлены некоторые характеристики различных типов элементов памяти.

Элементы SRAMв общем и целом идентичны элементам памяти DRAM, за исключением того, что они не нуждаются в регенерации памяти. Буква S в названии обозначает Static (статический). Если бы SRAM устанавливались в качестве оперативной памяти, это дало бы, конечно, увеличение быстродействия ПК. Однако их стоимость намного выше. Время доступа к DRAM составляет от 60 до 100 нс, а время доступа к SRAM — от 10 до 15 нс. Поэтому SRAM устанавливают только для выполнения специальных задач (например кэш-память). Потребляемый элементами SRAM ток настолько мал, что содержимое памяти (при наличии аккумулятора) остается неизменным около 2-х лет, даже если система за это время ни разу не включалась.

Таблица. Некоторые характеристики различных типов памяти

Тип памятиЧастота шины, ГцМаксимальная пропускная

способность, Мб/сFPM RAM25-3380EDO RAM40-50105SDRAM66-100166-253RDRAM250500МикросхемыNVRAM используют для долговременного хранения данных, которые ни при каких обстоятельствах не должны быть утеряны. Буквы NV в имени обозначаютNonVolatile, то есть “не временная”. Элементы NVRAM не нуждаются в электропитании и сохраняют свое содержимое в течение длительного времени.

Можно сделать вывод, что существует большое разнообразие элементов памяти, но, так как все они различаются по таким параметрам как время доступа, пропускная способность, частота шины и, наконец, цена, каждый элемент имеет свою область применения

ROM —энергонезависимая память с относительно долгой процедурой перезаписи. Используется для BIOS. РазновидностиROM:

• PROM— однократно программируемая память;

• EPROM— стираемая (ультрафиолетовым облучением) память;

• EEPROM— электрически перезаписываемая память.

• FlashMemory —энергонезависимая память с расширенными функциональными возможностями, многократная перезапись осуществляется прямо в устройстве; используется дляBIOSи электронных дисков. Кроме основной энергонезависимой памяти имеет оперативно перезаписываемый буфер того же размера для проверки и отладки содержимого. Перезапись из буфера в накопитель осуществляется по специальной команде при наличии дополнительного питания +12В.

VRAM —двухпортовая память для видеоадаптеров, обеспечивает доступ со стороны шины одновременно с чтением для регенерации изображения.

CMOSMemory(ComplimetaryMetalOxideSemiconductor) —КМОП-память с минимальным энергопотреблением и невысоким быстродействием, используется с батарейным питанием для хранения параметров системы.

Кэш-память (CacheMemory) —сверхоперативная память, буфер между процессором и ОЗУ. Полностью прозрачен, программно не обнаруживается. Снижает общее количество тактов ожидания процессора при обращении к относительно медленнойRAM.

Cache Level I(Internal,Integrated) —внутренний кэш процессоров некоторых моделей 386 и 486+.

Cache Level 2(External) —внешний кэш, установленный на системной плате. Использует микросхемы статической памятиSRAM(самые быстродействующие и дорогие) в DIP-корпусах,которые устанавливаются в панельки. Размер внешнего кэша от 64Кбайт до 2Мбайт. Кроме собственно банков памяти может устанавливаться дополнительная микросхема памяти (TargetBuffer), хранящая текущий список кэшированных блоков.

Алгоритмы кэширования определяют его эффективность:

• WriteThrough —сквозная запись.

• WriteBack — обратная запись, более эффективный и сложный в реализации.

Режим кэша, соответствующий установленным микросхемам, задается в BIOSSetup.

Кэширование также применяется в дисковой подсистеме: аппаратное на контроллере (накопителе) или программное в виде буферов обычно в XMS-памяти.