31.Які типи внутрішньої пам’яті Ви знаєте?Класифікуйте та зобразіть схематичні зв’язки цих типів, та дайте короткі коментарії.

В зависимости от функционального назначения памяти применяют следующие типы памяти:

• память с произвольным обращением (оперативная память), функционирующая только при включенном электропитании;

• постоянная память, в которой отключение электропитания не приводит к стиранию информации.

Память с произвольным обращением (RAM) (Random Access Memory) представляет собой совокупность микросхем, способных накапливать и временно хранить информацию. При отключении питания оперативная память полностью утрачивает свое содержимое.

По своим характеристикам микросхемы, составляющие RAM, делят на две группы: динамическая оперативная память и статическая оперативная память.

Динамическая оперативная память DRAM (Dynamic Random Access Memory) построена на микросхемах, которые требуют периодического обновления («регенерации») информации в них во избежание потерь.

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Заряженному состоянию конденсатора соответствует 1, разряженному – 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неогра­ниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утра­чена, так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Единственным способом регенерации хранимых в памяти данных является выполнение операции чтения/записи данных, поэтому регенерация памяти автоматически происходит при выполнении каждой операции чтения или записи.

Однако нет гарантии, что при выполнении любой программы произойдет обращение ко всем ячейкам памяти, поэтому имеется специаль­ная схема, которая через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) будет осуществлять доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты центральный процессор находится в состоянии ожидания. За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти.

На регенерацию данных в микросхемах динамической оперативной памяти расходуется 5-12% времени работы системы. Длительность одного цикла регенерации колеблется в пределах 100-500 наносекунд. Попытка прочитать данные до момента завершения цикла регенерации приводит к появлению ошибок.

Эти особенности динамической памяти накладывают существенные ограничения на возможность быстрого получения данных из микросхем динамической памяти (то есть увеличивают время доступа к ОЗУ). Для преодоления этого недостатка разработаны и продолжают разрабатываться различные модификации DRAM. В настоящее время используются следующие модификации DRAM:

• DRAM с кэш-памятью – CDRAM (Cache DRAM) и улучшенная DRAM – EDRAM (Enhanced DRAM), в которой некоторые участки памяти выполнены на элементах статической оперативной памяти;

• синхронная DRAM – SDRAM (Synchronous DRAM), в которой моменты обновления данных синхронизованы с частотой системной шины (это позволяет уменьшить время доступа к данным). Элементы SDRAM имеют следующие характеристики: время доступа 60-70 нс, время рабочего цикла 10-12 нс, временная диаграмма 5-1-1-1;

• улучшенная SDRAM – ESDRAM (Enhanced SDRAM), в которой, также, как у EDRAM, некоторые участки памяти выполнены на элементах статической оперативной памяти;

• PC100SDRAM, спецификация для которой была разработана фирмой Intel для функционирования при частоте системной шины 100 МГц;

• SDRAM II или удвоенная SDRAM – DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM) – память SDRAM с удвоенным быстродействием;

• DRAM по технологии фирмы Rambus – Direct RDRAM (Rambus DRAM), в которой существенно увеличены быстродействие и емкость памяти за счет увеличения тактовой частоты до 400 МГц и выше (спецификация технологии является закрытой);

• SLDRAM (SyncLink DRAM), разработанный фирмами-производителями как альтернативный Direct RDRAM вариант с открытой спецификацией.

Статическая оперативная память (SRAM) (Static Random Access Memory) реализована на основе микросхем, не требующих регенерации содержимого для обеспечения сохранности данных.

Как и DRAM, память SRAM является энергозависимой памятью, т.е. для того, чтобы данные не были уничтожены, должно быть обеспечено питание либо от сети, либо от аккумулятора. При этом ток, потребляемый элементами SRAM настолько мал, что содержимое памяти (при наличии аккумулятора) остается неизменным около двух лет, даже если компьютер в течение этого времени ни разу не включался.

Существуют следующие разновидности статической памяти:

• Async SRAM;

• Sync Burst SRAM;

• Pipelined Burst SRAM.

Микросхемы типа асинхронной SRAM – Async SRAM (Asynchronous SRAM) имеют простейший асинхронный интерфейс, подобный интерфейсу DRAM, включающий шины адреса, данных и управления. До недавнего времени микросхемы этого типа были стандартом для статической памяти. Время доступа у подобных микросхем составляет от 12 до 20 нс с временной диаграммой 2-1-1-1 (на частоте работы системной шины 33 МГц) или 3-2-2-2 (на более высоких частотах).

Синхронная пакетная SRAM – Sync Burst SRAM (Synchronous Burst SRAM) имеет время доступа обеспечивает временную диаграмму 2-1-1-1 на частотах работы системной шины 50, 60 и 66 МГц и имеет время доступа 8,5, 10 и 13,5 нс, соответст­венно. На частотах 75 МГц и выше временная диаграмма будет 3-2-2-2.

Конвейерная пакетная SRAM – РВ Burst SRAM (Pipelined Burst SRAM) представляет собой усовершенствованную Sync Burst SRAM. Конвейерная архитектура позволяет получать данные без тактов ожидания на частотах более 75 МГц. Память этого типа обеспечивает временную диаграмму 3-1-1-1 на частотах 66, 75 и 83 МГц (время доступа 15, 13 и 12 нс, соответственно).

Микросхемы SRAM имеют более низкую информационную емкость, большую потребляемую мощность и стоят в 4-5 раз дороже микросхем динамической памяти. Поэтому эти микросхемы используются в кэш-памяти и памяти для сохранения параметров BIOS.

Постоянная память – NVRAM (Non Volatile RAM) не нуждается в электропитании и позволяет хранить данные в течение длительного времени.

Существует несколько типов энергонезависимой памяти. Они различаются по способу перезаписи информации и применяются в разных областях.

Микросхемы памяти «только для чтения» – ROM (Read Only Memory) в настоящее время практически не применяются, поскольку не позволяют изменять записанную в них инфор­мацию. Программирование этих микросхем осуществляется на этапе их раз­работки и при изменении кода приходилось разрабатывать новую мик­росхему.

Микросхемы программируемой ROM – PROM (Programmable ROM) нашли более широкое применение. Эти микросхемы программируются специальными программа­торами однократно после изготовления. Кроме того, микросхемы PROM практически не чувствительны к электромагнитным полям.

Стираемые и многократно перепрограммируемые микросхемы – EPROM (Erasable Programmable ROM) до недавнего времени были самыми рас­пространенными носителями BIOS системы и карт расширения. Кроме то­го, микросхемы EPROM применяются в качестве знакогенератора принтера. В отличие от PROM, микросхе­мы EPROM можно перепрограммировать с помощью специального про­грамматора, подключаемого к компьютеру через последовательный или параллельный порт. Стирание данных в EPROM проводится с помощью ультрафиолетового или рентгеновского излучения, а запись производится с помощью электрических сигналов.

В отличие от EPROM, данные в микросхемах электрически стираемой PROM – EEPROM (Electrically Era­sable Programmable Read Only Memory) удаляются с помощью электрического сигнала.

Память Flash EEPROM (или Flash Memory) может быть перезаписана непосредственно в компьютере. Основными ее пре­имуществами по сравнению с EEPROM является малое время доступа и малая дли­тельность процесса стирания информации. Большинство современных микросхем BIOS относятся к типу Flash EEPROM. Для уста­новки новой версии BIOS необходима специальная программа (прошиваль­щик), которая, как правило, поставляется вместе с материнской платой (на дискете или компакт-диске), и файл с новой системой BIOS. В настоящее время микросхемы флэш-памяти выпускают практически все крупные фирмы-производители микросхем памяти, причем флэш-память широко используется не только в компьютерах, но и в сотовых телефо­нах, сетевом оборудовании, принтерах, факсах и т. д.

Новыми типами постоянной памяти, которые недавно появились на рынке, являются FRAM и MRAM.

В отличие от традиционной кремниевой технологии производства элементов памяти в ферроэлектрической памяти – FRAM (Ferroelectric RAM) применяется сегнетоэлектрическая пленка на основе спла­вов оксидов металлов (титана, циркония, свинца и т. п.).

Элементом памяти FRAM является кристалл идеальной архитектуры памяти Ramtron, изображенный на рис. 2.20. «Черный» атом, расположенный в центре кристаллической решетки, под воздействием электрического заряда может перемещаться вверх или вниз, оставаясь в этом положении, пока не будет подан электри­ческий сигнал. Смещение атома от центрального положения в одну сторону соот­ветствует значение 1, в другую – 0, причем допускается многократная перезарядка.

В ферроэлектрической памяти RAM информация сохра­няется даже после того, как отключено напряжение питания. Память FRAM имеет преимущества динамической DRAM (возможность многократной перезапи­си) и статической SRAM (высокая скорость), а также памяти ROM (энер­гонезависимость). Комбинация этих свойств позволяет создать идеальное запоминающее устройство – быструю память, которая не теряет данные.

Магнитная память RAM – MRAM (Magnetic RAM) – это новое поколение энергонезависимой магнит­ной памяти, разработанной в исследовательском центре IMEC (Бельгия) и корпорацией Toshiba. Основой запоминающей ячейки микросхемы является многослойный магнитный вентиль, выполненный в виде полупроводнико­вого кристалла. Согласно имеющейся информации, цикл чтения/записи для MRAM не превышает 6 нc.

Постоянная память используется для хранения кода BIOS компьютера, BIOS карт расширения, конфигурации периферийных устройств и т.п.

Первые микросхемы памяти выпускались в так называемых DIP-корпусах (Dual In-line Package – корпус с двухрядным расположением выводов). Такая конструкция корпуса удобна для печатного мон­тажа и установки микросхемы в панельки на материнской плате, а также для соблюдения температурного режима работы элементов.

В настоящее время на модули памяти устанавливаются микросхемы в корпусе SOJ (Small Outline J-shaped) и TSOP (Thin Small Outline Package). Микросхемы памяти в корпусах SOJ устанавливаются на SIMM-модули и применяются для расширения памяти на видеокартах, а микросхемы в корпусе TSOP устанавливаются на DIMM модули.

Корпуса DIP, SOJ и TSOP представлены на рисунке 2.21.

Первоначально модули памяти в DIP-корпусах крепились непосредственно к материнской плате, однако с увеличением объема памяти ее микросхемы стали занимать много места на плате, а микросхемы в корпусах SOJ, TSOP и других стали крепиться к плате, которая была названа модулем памяти.

Каждый модуль устанавливается в свой разъем (слот) на материнской плате. В зависимости от размера разъема и количества контактов в разъеме различают SIMM-модули, DIMM-модули и RIMM-модули.

Однорядные модули памяти – SIMM-модули (Single In-line Memory Module) – вставляются в специальные разъемы на материнской платы. Первые модули были 30-контактными, затем стали выпускать 72-контактные SIMM. Эти модули длительное время являлись стандартными элементами памяти в компьютерах, однако последнее время им на смену пришли DIMM-модули.

В отличие от SIMM-модулей, двухрядные модули памяти – DIMM-модули (Dual In-line Memory Module) имеют электрически независимые контакты с двух сторон разъема. Наиболее распространенными являются 168-контатные 64-разрядные модули DIMM, имеющие по 84 контакта с каждой стороны. В настоящее время большинство материнских плат оборудовано слотами для DIMM-модулей.

Модуль памяти RIMM-модуль (Rambus In-line Memory Module) разработан компанией Rambus для памяти Direct RDRAM. Внешне RIMM-модуль похож на DIMM-модуль, но имеет 184 контакта.