Вопрос 2. Типы и возможности систем памяти

Для повышения быстродействия применяются различные архи­тектурно-логические решения, известно множество различных ти­пов памяти, отличающихся друг от друга своими основными харак­теристиками.

Основная память соединяется с процессором через адресную ши­ну и шину данных. Каждая шина состоит из множества электриче­ских цепей или бит. Ширина (разрядность) адресной шины опреде­ляет, сколько адресов может быть в ОЗУ (адресное пространство), а шины данных — сколько данных может быть передано за 1 цикл. Например, в 1985 г. процессор Intel 386 имел 32-разрядную адрес­ную шину, что дает возможность поддерживать адресное простран­ство в 4 Гбайт. В процессоре Pentium (1993 г.) ширина шины дан­ных была увеличена до 64 бит, что позволило передавать 8 байт ин­формации одновременно.

Каждая передача данных между процессором и памятью назы­вается циклом шины. Количество бит, которое процессор может пе­редать за один цикл шины, влияет на производительность компью­тера и определяет, какой тип памяти требуется.

Рассмотрим основные типы систем памяти

Динамическая память.

Динамическая память (DRAM) используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для ви­деоадаптера. Из применяемых в современных и перспективных ПК типов динамической памяти наиболее известны DRAM и FPM DRAM, EDO DRAM и BEDO DRAM, EDRAM и CDRAM, Synchronous DRAM, DDR SDRAM и SLDRAM, видеопамять MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM, RDRAM и некоторые другие.

Микросхема памяти этого типа представляет собой прямоуголь­ный массив ячеек, со вспомогательными логическими схемами, ко­торые используются для чтения или записи данных, а также цепей регенерации, поддерживающих целостность данных. Массивы па­мяти организованы в строки (raw) и столбцы (column) ячеек памяти, именуемые соответственно линиями слов (wordlines) и линиями бит (bitlines). Каждая ячейка памяти имеет уникальное размещение, за­даваемое пересечением строки и столбца. Цепи, поддерживающие работу памяти, включают:

• усилители, считывающие сигнал из ячейки памяти;

• схемы адресации для выбора строк и столбцов;

• схемы выбора адреса строки (row adress select /RAS) и столбца (column adress select /CAS), чтобы открывать и закрывать адреса строк и столбцов, а также начинать и заканчивать операции чтения и записи;

• цепи записи и чтения информации;

• внутренние счетчики или регистры, следящие за циклами ре­генерации данных;

• схемы разрешения выхода (Output enable — ОЕ).

Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре по­лупроводникового кристалла. Конденсатор управляет транзистором. Если транзистор открыт и ток идет, это означает «1», если закрыт — «0». С течением времени конденсатор разряжается, и его заряд нуж­но периодически восстанавливать. Между периодами доступа к па­мяти посылается электрический ток, обновляющий заряд на кон­денсаторах для поддержания целостности данных (вот почему дан­ный тип памяти называется динамическим ОЗУ). Этот процесс называется регенерацией памяти.

Интервал регенерации измеряется в наносекундах (не), и это число отражает «скорость» ОЗУ. Большинство ПК на основе про­цессоров Pentium характеризуются скоростью 60 или 70 не. Процесс регенерации снижает скорость доступа к данным, поэтому доступ к DRAM обычно осуществляется через кэш-память. Однако когда бы­стродействие процессоров превысило 200 МГц, кэширование пере­стало существенно влиять на присущую DRAM низкую скорость и возникла необходимость использования других технологий ОЗУ.

Цикл чтения включает следующие события (см. рис. 2.15, для EDO DRAM):

• выбор строки. Активизация цепи /RAS используется для свя­зывания со строкой памяти и инициации цикла памяти;

• выбор столбца. Сигнал /CAS используется для связывания со столбцом памяти и инициации операции записи-чтения;

• разрешение записи (Write enable /WE);

• разрешение вывода (Output enable /ОЕ). Во время операций чтения из памяти этот сигнал предотвращает появление дан­ных прежде времени;

• ввод/вывод данных. Выводы DQ на чипе памяти предназначе­ны для ввода и вывода. Во время операции записи высокое («1») или низкое («0») напряжение подается на DQ. При чтении данные считываются из выбранной ячейки и передаются на DQ, если доступ осуществлен и /ОЕ открыт.

Охарактеризуем вкратце системы динамической оперативной памяти.

FPM DRAM (Fast page mode DRAM) - представляет собой стан­дартный тип памяти, быстродействие которой составляет 60 или 70 нс. Система управления памятью в процессе считывания активи­рует адреса строк, столбцов, осуществляет проверку данных и пере дачу информации в систему. Столбцы после этого деактивируются, что приводит к нежелательному состоянию ожидания процессора в некоторых сочетаниях операций с памятью. В наилучшем случае данный режим реализует временную схему пакета вида 5-3-3-3.

EDO RAM (RAM с расширенным выходом). Обращение на чте­ние осуществляется таким же образом, как и в FPM, за исключени­ем того, что высокий уровень /CAS не сбрасывает выходные дан­ные, а использование триггера позволяет сохранять данные то тех пор, пока уровень CAS снова не станет низким. Тем самым не про­исходит сброса адреса столбцов перед началом следующей операции с памятью.

Упрощенная схема работы EDO показана на рис. 2.2. Выходная величина поддерживается последовательностью стробируюших им­пульсов до тех пор, пока она не будет считана ЦП. Эта память обес­печивает лучшие параметры для серии быстрых последовательных считываний, чем FPM RAM. Теоретически скорость памяти на 27 % выше, чем для FMP DRAM.

BEDO RAM (Burst extended data out DRAM — пакетная с рас­ширенным выходом), как это видно из названия, читает данные в виде пакета, что означает, что после получения адреса каждая из следующих трех единиц информации читается за один цикл тайме­ра, а ЦП считывает данные в виде пакета 5-1-1-1. Быстродействие системы на 100 % превосходит FPM и на 50 % — EDO DRAM.

SDRAM (Synchronous DRAM — Синхронная динамическая па­мять). Этот тип памяти существенно отличается от других тем, что использует тот факт, что большинство обращений к памяти являет­ся последовательным и спроектировано так, чтобы передать все биты пакета данных как можно быстрее (когда начинается передача пакета, все последующие биты поступают с интервалом 10 нс).

Как видно из названия, эта память обеспечивает синхрониза­цию всех входных и выходных сигналов с системным таймером. Наибольшая скорость SDRAM в циклах ЦП — это 5-1-1-1 для паке­та чтения четырех единиц информации (байт/слово/двойное слово), что делает ее такой же быстродействующей, как и BEDO RAM; од­нако самое большое достоинство SDRAM — то, что она легко под­держивает частоту шины до 100 МГц.

SDRAM PC100. Для материнских плат, поддерживающих внеш­ние частоты 100 МГц и выше, необходима память (SDRAM), кото­рая сможет нормально и без сбоев работать с такими частотами, обеспечивая оптимальную скорость. Такие модули памяти должны иметь время доступа не более 8 нс, но самого быстродействия как такового недостаточно. Память, способная устойчиво работать на внешних частотах 100 МГц и выше, должна удовлетворять специ­альному стандарту - PC 100.

SDRAM PC133 — память, соответствующая стандарту PC 133. Спецификация PC 133 SDRAM DIMM разработана группой компа­ний VIA Technologies, IBM Microelectronics, Micron Semiconductor Products, NEC Electronics, Samsung Semiconductor (Revision 0.4, 7 июня 1999 г.). Память PC 133 — это лучшие образцы памяти стан­дарта PC 100, «разогнанные» до 133 МГц.

Пиковая пропускная способность PC 133 SDRAM приблизитель­но равна 1 Гб/с и средняя пропускная способность около 250 Мбайт/с, что соответствует пропускной способности AGP 4-х (1 Гбайт/с — пиковая и 200 Мбайт/с — средняя).

DDR SDRAM (SDRAM II). В системах с синхронизацией дан­ные обычно передаются по фронту импульса синхронизации (clock tick). Так как сигнал генератора импульсов изменяется между «1» и «0», данные могут передаваться или по переднему фронту импульса (изменение с «0» на «1»), или по заднему (с «1» на «0»).

Компанией Samsung предложена система DDR (Double Data Rate) SDRAM или SDRAM II, в которой передача данных осуществ­ляется по обоим фронтам тактовых импульсов одновременно, чем достигается удвоение скорости передачи при той же тактовой часто­те. Кроме того, DDR использует DLL (delay-locked loop — цикл с фиксированной задержкой) для выдачи сигнала DataStrobe, озна­чающего доступность данных на выходных контактах. Используя один сигнал DataStrobe на каждые 16 выводов, контроллер может осуществлять доступ к данным более точно и синхронизировать входящие данные, поступающие из разных модулей, находящихся в одном банке. DDR фактически увеличивает скорость доступа вдвое по сравнению с SDRAM, используя при этом ту же частоту.

DDR II SDRAM. К числу основных отличий технологии DDR- II от предыдущего варианта (DDR-I) относится то, что в ней размер выборки данных увеличен вдвое — с 2 до 4 бит, а значит, во столько же раз возрастает скорость передачи. Память DDR-II отли­чается от DDR-I более низким напряжением питания — 1,8 вместо 2,5 В.

SLDRAM (Synchronous linked DRAM). Этот тип устройств разра­ботан консорциумом крупнейших производителей модулей памя­ти — SLDRAM Consortium. Считается, что применение SLDRAM экономически выгодно при объеме ОЗУ не менее 256 Мбайт. Повы­шение производительности достигается за счет распространения па­кетного протокола передачи данных на сигналы управления (отсюда название этого типа памяти — Linked SDRAM). В SLDRAM адреса, команды, а также сигналы управления передаются в пакетном ре­жиме по однонаправленной шине Command Link.

Одновременно с ними по другой, двунаправленной шине Data Link, и тоже в пакетном режиме, передаются данные, причем пере­дача происходит на обоих фронтах тактовых импульсов, как и в слу­чае с DDR SDRAM.

Максимальная достижимая скорость передачи SLDRAM пре­вышает 1 Гбайт/с на каждый разряд при частоте 400 МГц. Кон­троллер программирует все чипы модуля памяти так, чтобы они выдавали данные на шину одновременно, независимо от разбро­са их параметров и степени удаленности микросхем от контрол­лера. В результате самая удаленная микросхема выдает данные без задержки, а самая близкая — через промежуток времени, нужный, чтобы сигнал распространился от самой удаленной до самой близкой.

ESDRAM (Enhanced SDRAM — улучшенная SDRAM) — более быстрая версия SDRAM, соответствующая стандарту JEDEC компа­нии Enhanced Memory Systems (EMS). С точки зрения времени дос­тупа производительность ESDRAM в 2 раза выше по отношению к стандартной SDRAM.

Основные отличия от SDRAM:

• более быстрое время доступа (27 нс вместо стандартных 60 нс);

• производительность, повышенная почти до уровня статиче­ского ОЗУ;

• кэш-память, связанная с каждым банком памяти;

• скрытая регенерация;

• гибкое использование кэш-памяти для обеспечения макси­мальной производительности при различных типах обра­щений.

Недостаток ESDRAM — усложнение контроллера: он должен учитывать возможность подготовки к чтению новой строки ядра. Кроме того, при произвольных адресах чтения кэш-память исполь­зуется крайне неэффективно, поскольку чтение строки ядра цели­ком происходит очень редко. Этого недостатка нет у другого типа памяти — CDRAM.

CDRAM (Cached DRAM — DRAM с кэш-памятью). Этот тип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi и представляет собой улуч­шенный вариант ESDRAM. Изменения коснулись кэш-памяти — ее объема, принципа размещения данных, средств доступа. Cached DRAM имеет раздельные адресные линии для статического кэша и динамического ядра. Необходимость управлять разнородными типа­ми памяти усложняет контроллер, однако эффективность кэш-памя­ти, размешенной внутри микросхемы, выше, чем при традиционной архитектуре ПК, так как перенос в кэш осуществляется блоками, в восемь раз большими, чем при выдаче из микросхемы обычной DRAM.

Direct Rambus (DRDRAM). Одной из наиболее быстродействую­щих является память RDRAM (Rambus DRAM), разработанная ком­панией Rambus (США) и выпускаемая такими компаниями, как NEC, Toshiba и Fujitsu. Память RDRAM является 9-разрядной, так­тируется частотой 250 МГц и достигает пиковой скорости передачи данных 500 Мбайт/с.

Подсистема памяти Rambus состоит из следующих компонен­тов: основной контроллер (RMC — Rambus Memory Controller), ка­нал (RC — Rambus Channel), разъем для модулей (RRC — Rambus RIMM Connector), модуль памяти (R1MM — Rambus In-line Memory Module), генератор дифференциальных импульсов (DRCG — Direct Rambus Clock Generator) и сами микросхемы памяти (RDRAM — Rambus DRAM).

VCM (Virtual Channel Memory) — разработанная NEC и Siemens технология, позволяющая оптимизировать доступ к оперативной памяти нескольких процессов (запись данных центральным процес­сором, перенос содержимого оперативной памяти на жесткий диск, обращения графического процессора и т. п.) таким образом, что пе­реключение между процессами не приводит к падению производи­тельности. В отличие от традиционной схемы, когда все процессы делят одну и ту же шину ввода-вывода, в технологии VCM каждый из них использует виртуальную шину. Организованное на уровне чипа взаимодействие виртуальных шин и реальной шины позволяет достичь прироста производительности системы до 25 %.

Чтобы при одновременном обращении к памяти нескольких процессов не снизилась производительность, число каналов доведе­но до 16 по 1024 бита каждый (в модулях по 256 Мбайт каждый ка­нал может передавать до 2048 бит). Работает VC SDRAM при часто­те до 143 МГц. Тип корпуса — стандартный, совместимый по кон­тактам и набору команд с SDRAM.

Active Link — разработка NEC, которая нагружает DRAM новы­ми функциями — архивация (сжатие информации) в основной па­мяти. Чтобы не загружать рутинной работой процессор, функция компрессии/декомпрессии возлагается на сам чип DRAM. В резуль­тате несколько расширилось обрамление кристалла, но налицо двойной выигрыш — нужна меньшая по количеству ячеек микро­схема DRAM, и доступ к информации происходит быстрее, чем обычно. Поскольку все больше информации в компьютерах имеет мультимедийную природу, можно выбрать соответствующий алго­ритм компрессии. По утверждению NEC, видеоданные сжимаются в чипе ActiveLink в 4 раза.

IRAM (Intellectual Random Access Memory). Главная идея IRAM — в размещении процессора и DRAM в одном чипе. Это дает возможность чтения и записи данных длинными словами (от 128 до 16 384 бит), обеспечивая повышение пропускной способности па­мяти. Раньше это было невозможно — все упиралось в неприемлемо большое число выводов микросхемы. Средняя скорость RAC/CAS равна приблизительно 10—30 не для модулей 64—256 Мбайт IRAM. При этом снижается энергопотребление и уменьшается площадь, занимаемая микросхемами памяти.

Магнитная оперативная память. Надо заметить, что первые об­разцы ОЗУ были выполнены на кольцевых магнитных ферритовых сердечниках, нанизанных на адресные и информационные шины (провода). Емкость таких ЗУ не превосходила 64 Кбайт. В после­дующем длительный период времени устройства ОЗУ выполнялись на кремниевых полупроводниковых элементах.

В 2000 г. IBM и Infineon Technologies AG (ФРГ) объявили программу разработки MRAM (Magnetic Random Access Memory).

Принцип организации элементов памяти — магнитная среда, заключенная между слоями металла.

Преимущества технологии — высокая емкость, скорость, низкая стоимость, возможность применения как в форме статической, так и динамической памяти, более низкое энергопотребление.