3.3. Системы, расположенные на материнской плате

3.3.1. Оперативная память

Оперативная память (RAM — Random Access Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают

• динамическую память (DRAM)

• статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В большинстве современных процессоров предельный размер адреса обычно составляет 32 разряда, а это означает, что всего независимых адресов может быть 2³². Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.

Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 2³² байт = 4 Гбайт. Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере.

Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы. Обычно не может превосходить нескольких Гбайт. Минимальный объем памяти определяется требованиями операционной системы и для современных компьютеров составляет 128 Мбайт.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти в 256 Мбайт, но тенденция к росту сохраняется.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

В современных компьютерах обычно применяют три типа модулей оперативной памяти:

• Модули памяти SDRAM (DIMM-модули) сегодня уже считаются устаревшими и используются в компьютерах прошлых поколений.

• Наиболее распространены модули типа DDR SDRAM (DDR DIMM), обеспечивающие более быстрый доступ к памяти.

• Модули типа RDRAM (RIMM-модули) применяются на некоторых компьютерах с процессором Pentium 4, но стоят заметно дороже и поэтому менее распространены.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и скорость передачи данных. Сегодня наиболее распространены модули объемом 128-512 Мбайт. Скорость передачи данных определяет максимальную пропускную способность памяти (в Мбайт/с или Гбайт/с) в оптимальном режиме доступа. При этом учитывается время доступа к памяти, ширина шины и дополнительные возможности, такие как передача нескольких сигналов за один такт работы. Одинаковые по объему модули могут иметь разные скоростные характеристики.

Иногда в качестве определяющей характеристики памяти используют время доступа. Оно измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Для современных модулей памяти это значение может составлять 5 нс, а для особо быстрой памяти, используемой в основном в видеокартах, — снижаться до 2-3 нс.

Модули памяти

Модуль DDR SDRAM

Оперативная память, ОЗУ (main memory, main storage, Random Access Memory, RAM) — непосредственно связанная с основными процессами, выполняемыми компьютером, область памяти, из которой микропроцессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки и в которую они записывают ее результаты перед пересылкой их во внешние запоминающие устройства. Оперативную память называют также «главной» или «основной» памятью ПК; стоит отметить, что очень часто под термином «память» понимают именно оперативную память. Название «оперативная» эта память получила благодаря очень высокому быстродействию, соизмеримому со скоростью работы микропроцессора. ОЗУ работают быстрее накопителей на жестких или оптических дисках, но медленнее кэш-памяти процессора и поэтому используются как буфер между этими устройствами с целью увеличения общей производительности системы. Быстродействие оперативной памяти зависит от ее пропускной способности, т.е. количества битов, пересылаемых по системной шине между микропроцессором и банком памяти за 1 с (обычно измеряется в Мбит/с). Оперативная память является памятью с произвольным доступом (RAM): с помощью определенных методов адресации процессор может напрямую обратиться к требуемым данным независимо от их организации и месторасположения в устройствах памяти.

В IBM PC выделяют следующие области оперативной памяти:

- базовая память (conventional memory) — собственно оперативная память, составляющая первые ее 640 Кбайт и служащая для загрузки системных файлов операционной системы (IO.SYS, MSDOS.SYS, CONFIG.SYS, AUTOEXEC.SYS, COMMAND.COM), а в оставшейся свободной части другие исполняемые программы;

- верхняя память (UPA, UPper memory Area ) — область памяти от 640 до 1024 Кб, обычно разделяемая на несколько блоков верхней памяти (UMB, Upper Memory Block, page frame) размером по 64 Кб каждый и предназначенная для загрузки ряда аппаратных данных, копии базовой системы ввода-вывода (BIOS), считываемой с ПЗУ, и др., а также доступа к расширенной памяти (см. далее);

- наращенная память (XMB, еXtended Memory Block ) — область памяти выше 1024 Кб. Ее максимальный размер ограничивается только возможностями микропроцессора (например, для вышедших из обращения PC 80286 до 16 Мбайт, для PC 80486 до 4 Гбайт и т.д.). Нижняя (начальная) часть наращенной памяти размером в 64 Кбайт носит наименование области старших адресов или HMA-памяти (HMA, High Memory Area). Доступ и управление областью наращенной памяти обеспечивается программой-драйвером HIMEM.SYS в соответствии со стандартом XMS (eXtended Memory Specification). Он предотвращает одновременное использование одних и тех же участков памяти разными программами и позволяет загружать операционную систему в HMA;

- расширенная память (EMS, Expanded Memory Specification) — область памяти от 1 до 32 Мбайт, доступ к которой обеспечивается через один из блоков верхней памяти ПЭВМ модели PC 386 и выше специальной программой (например EMM386.EXE). Расширенная память делится на сегменты по 16 Кбайт, называемые страницами; когда программа запрашивает информацию из расширенной памяти, соответствующая страница копируется в страничный кадр (page frame) — область размером в 64 Кбайт. Эта область позволяет просматривать (по 16 Кбайт) большое пространство расширенной памяти. Организация расширенной памяти и требования к средствам ее поддержки введены в 1985 стандартом EMS (Expanded Memory Specification), разработанным фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (все США) в 1985;

- Page Dir Cache — память, для хранения данных об используемых страницах основной памяти;

- Call/Return Stack — память, используемая для сохранения состояния процессора и программы при вызове подпрограмм и обработке прерываний;

- SMI code and data — специальное пространство в памяти для хранения команд и данных процессора, используемых для выполнения системных функций обработки нештатных ситуаций, проверки работы процессора, перехода на режимы пониженного энергоснабжения и т.д. Обычно она не доступна операционной системе и пользовательским приложениям.

Оперативное запоминающее устройство

Устройство, реализующее функции оперативной памяти, — оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (main storage unit). Характерной особенностью ОЗУ является то, что содержащиеся в них данные сохраняются только тогда, когда компьютер включен, при снятии электропитания содержимое оперативной памяти (как правило) стирается, т.е. ОЗУ являются энергозависимыми видами памяти. Причем, в устройствах динамической памяти (Dynamic RAM, DRAM) в силу особенностей технической реализации (электрические заряды сохраняются в ячейках памяти очень малые доли секунды) требуется постоянное обновление (регенерация) данных, в процессе которого устройство недоступно для чтения/записи. Устройства статической памяти (Static RAM, SRAM) не требуют постоянной регенерации и поэтому работают быстрее устройств DRAM, но стоят значительно дороже. Как динамическая, так и статическая память может работать либо в асинхронном, либо в синхронном режиме с процессором. Все виды асинхронной памяти, которые широко использовались до конца 1990-х, ныне устарели; в современных моделях ПК в качестве оперативной памяти обычно устанавливается синхронная динамическая память (SDRAM), которая использует тот же генератор тактовых импульсов, что и процессор. ОЗУ, как правило, состоят из нескольких интегральных микросхем (чипов), расположенных на специальных платах (модулях) определенного форм-фактора (например: SIMM, DIMM, RIMM). Модули памяти подключаются к компьютеру через специальные разъемы (слоты) на материнской плате. Чипсеты материнских плат накладывают ограничения на тип и максимальный объем оперативной памяти, которые они способны поддерживать.

Модули оперативной памяти

Модуль DDR SDRAM

Области оперативной памяти (схема)

Стандартная и старшая память (схема)