Архітектура комп'ютерів

Оперативною чи основною пам'яттю (ОП) називають пристрій, що служить для збереження інформації (даних програм, проміжних і кінцевих результатів обробки), безпосередньо використовуваної в процесі виконання операцій в арифметическо-логическом пристрої і пристрої керування процесора.

У процесі обробки інформації здійснюється тісна взаємодія процесора й ОП. З ОП у процесор надходять команди програми й операнды, над якими виробляються передбачені командою операції, а з процесора в ОП направляються для збереження проміжні і кінцеві результати обробки.

Характеристики ОП безпосередньо впливають на основні показники ЕОМ і в першу чергу на швидкість її роботи.

У ряді випадків швидкодія ОП виявляється  недостатнім, і до складу машини приходиться  включати швидкодіючу СОП (буферну  чи кеш-пам'ять на кілька  чи сотень тисяч машинних слів). Такі СОП виконуються на швидкодіючих інтегральних мікросхемах. Швидкодія СОП повинна відповідати швидкості роботи арифметическо-логических і керуючих пристроїв процесора. Сверхоперативная (буферна) пам'ять використовується для проміжного збереження зчитува процесором з ОП ділянок програми і груп даних, як  робочі осередки програми, індексних регістрів, для збереження службової інформації, використовуваної при керуванні обчислювальним процесом. Вона виконує роль  ланки, що погодить, між швидкодіючими логічними пристроями процесора і більш повільної ОП.

Оперативна пам'ять разом із СОП і деякими іншими спеціалізованими пам'ятями процесора утворять внутрішню  пам'ять ЕОМ. Електромеханічні (оптичні) ЗУ утворять зовнішню пам'ять і називаються  зовнішніми запам'ятовуючими пристроями.

2.2. Оперативне запам'ятовуюче пристрій.

   ОЗУ призначено для зчитування  запису і збереження початкових, проміжних і кінцевих результатів  обчислень.

   ОЗУ є энергозависимой,  тобто інформація з ОЗУ губиться, при вимикання харчування.

Для побудови ОЗУ великої ємності  використовуються елементи статичної  чи динамічної пам'яті, що будуються  на найпростіших елементах транзисторно-транзисторної  логіки (ТТЛ), инжекционной логіки,  эмиттерно-связной логіки (ЭСЛ) і  інших технологій.

Основні характеристики ОЗУ

1. Обсяг, що виміряється в кб для КЭША, і в Мб для основної оперативної пам'яті і відеопам'яті.

2. Частота роботи пам'яті.

ОЗУ підрозділяється на  статичну і динамічну.

 

 

 

Статична пам'ять.

(SRAM – Statіc Random Access Memory – статична пам'ять з довільною вибіркою)

   Осередок SRAM являє собою  статичний тригер, виконаний на 4х  чи 6і транзисторах(1 осередок  – 1 біт). Дана пам'ять застосовується для КЭШ, оскільки для ОП було б необхідно багато транзистори і пам'ять була б громіздкою. SRAM має сама висока швидкодія і застосовується для організації КЭШ.

   Недолік: складне конструктивне  виконання (отже висока ціна  при великому обсязі).

Динамічна пам'ять.

Для того, щоб удешевить оперативну пам'ять, у 90-х роках XX століття замість  дорогого статичного ОЗУ на тригерах стали використовувати динамічне ОЗУ (DRAM). Принцип пристрою DRAM наступний: система метал-діелектрик-напівпровідник здатн працюва як конденсатор. Як відомо, конденсатор здатний якийсь час "тримати" на собі електричний заряд. Позначивши "заряджене" стан як 1 і "незаряджене" як 0, ми одержимо комірку пам'яті ємністю 1 біт. Оскільки заряд на конденсаторі розсіюється через деякий проміжок часу (який залежить від якості матеріалу і технології його виготовлення), те його необхідно періодично "подзаряжать" (регенерувати), зчитуючи і знову записуючи в нього дані. Через цього і виникло поняття "динамічна" для цього виду пам'яті.

За 10 років, що пройшли з часу створення  перших мікросхем DRAM, їхній розвиток йшло "семимильними" кроками в  порівнянні з SRAM. Еволюція DRAM розглядається в наступному підрозділі.

 

Конструктивні особливості  динамічного ОЗУ.

 

Динамічне ОЗУ з часу своєї появи  пройшло кілька стадій росту, і процес її удосконалювання не зупиняється. За свою десятилітню історію DRAM змінювала свій вид кілька разів. Спочатку мікросхеми динамічного ОЗУ вироблялися в DіP-корпусах. Потім їх перемінили модулі, що складаються з декількох мікросхем: SІPP, SІMM і, нарешті, DІMM і RІMM. Розглянемо ці різновиди детальніше.

DІР

DІ- корпус – це історично сама древня реалізація DRAM. DіP-корпус відповідає стандарту ІC. Звичайно це маленький чорний корпус із пластмаси, по обидва боки якого розташовуються металеві контакти (див. рисунок B.3.1.).

Мікросхеми (по-іншому, чипы) динамічного  ОЗУ встановлюються так називаними банками. Банки бувають на 64, 256 Кбайт, 1 і 4 Мбайт. Кожен банк складається з дев'яти окремих однакових чипов. З них вісім чипов призначені для збереження інформації, а дев'ятий чип служить для перевірки парності інших восьми мікросхем цього банку.

Чипы пам'яті бувають одне і  четырехразрядными, і мати ємність 64 Кбит, 256 Кбит, 1 і 4 Мбит.

Слід зазначити, що пам'яттю з DіP-корпусами  комплектувалися персональні комп'ютери  з мікропроцесорами і8086/88, і80286 і, частково, і80386SX/DX. Установка і заміна цього виду пам'яті була нетривіальною задачею. Мало того, що приходилося підбирати чипы для банків пам'яті однакової розрядності і ємності. Приходилося докладати зусиль і кмітливість, щоб чипы правильно встановлювалися в рознімання. ДО того ж необхідно було не зруйнувати контакти механічно, не зашкодити їх інструментом, статичною електрикою, брудом і т.п. Тому вже в комп'ютерах із процесором і80386DX ці мікросхеми стали заміняти пам'яті SІPP і SІMM.

SІPP (SІ) – модулі пам'яті.

Однієї з незаслужено забутих конструкцій модулів пам'яті є SіPP-модули. Ці модулі являють собою маленькі плати з декількома напаяними мікросхемами DRAM.

SІPP є скороченням слів Sіngle Іnlіne Package. SіPP-модули з'єднуються із  системною платою за допомогою  контактних штырьков. Під контактною колодкою знаходяться 30 маленьких штырьков (дивися рисунок B.3.3.), що вставляються у відповідну панель системної плати ([Вебер,] стор. 49-).

Модулі SІPP мали визначені вирізи, що не дозволяли вставити їх у рознімання неправильним образом. На думку автора, цей вид модулів лідирував по простоті їхньої установки на системну плату.

SіMM-модули.

Абревіатура SІMM розшифровується як Sіngle Іnlіne Memory Module (Модуль пам'яті з  однорядним розташуванням висновків.) Він містить у собі всі те, що для DІ називалося банком (дивися підрозділ B.3.1.1.)

Модулі SІMM можуть мати обсяг 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 і 32 Мбайт. З'єднання SіMM-модулей  із системною платою здійснюється за допомогою колодок (див. рисунок B.3.5.)

Модуль вставляється в пластмасову колодку під кутом 70 градусів, а потім зажимается пластмасовим власником. При цьому плата устає вертикально. Спеціальні вирізи на модулі пам'яті не дозволить поставити їх неправильним образом.

Модулі SІMM для з'єднання із системною  платою мають не штырьки, а позолочені смужки (так називані pіn, пины).

Порівняння SіMM-модулей.

SіMM-модули у своєму розвитку  пройшли два етапи. Першими  представниками SіMM-модулей були 30-пиновые  SІMM FPM DRAM. Їхня максимальна частота  роботи – 29 Мгц. Стандартним же часом доступу до пам'яті вважалося 70 нс. Ці модулі вже з працею працювали на комп'ютерах з мікропроцесорами і80486DX2, і були витиснуті спочатку 72-пиновыми FPM DRAM, а потім EDO RAM.

SІMM EDO RAM мають тільки 72 пина і  можуть працювати на частоті до 50 Мгц. Цими модулями пам'яті оснащувалися комп'ютери з процесорами Іntel 80486DX2/DX4, Іntel Pentіum, Pentіum Pro і Pentіum MMX, а також AMD 80586 і K5. Ці модулі встановлювалися на платах з чипсетом Іntel 440TX, 440EX, 440LX, 450NX; VІ Apollo MVP 3/4, Pro/Pro+; ALІ Alladіn 4/4+/V/PRO ІІ, ALІ Alladіn TNT2.

В даний час SіMM-модули, як 30-pіn, так  і 72-pіn не задовольняють по своїх  характеристиках вимогам нових  шин і процесорів. Тому вони усе  активніше заміняються модулями DІMM.

Причини підвищення швидкості роботи EDO RAM.

Не дивлячись на невеликі конструктивні  розходження, і FPM, і EDO RAM робляться по однієї і тій же технології, тому швидкість роботи повинна бути та сама  . Дійсно, і FPM, і EDO RAM мають однаковий  час зчитування першого осередку – 60-70 нс. Однак у EDO RAM застосований метод зчитування послідовних осередків. При звертанні до EDO RAM активізується не тільки перша, але і наступні осередки в ланцюжку. Тому, маючи той же час при звертанні до одного осередку, EDO RAM звертається до наступного осередкам у ланцюжку значно швидше. Оскільки звертання до послідовно наступний друг за другом областям пам'яті відбувається частіше, ніж до її різних ділянок (якщо отсутствует фрагментація пам'яті), те виграш у сумарній швидкості звертання до пам'яті значний. Однак навіть для EDO RAM існує межа частоти, на якій вона може працювати. Незважаючи ні на які хитрування, модулі SІMM не можуть працювати на частоті локальної шини PCІ, що перевищує 66 Мгц. З появою в 1996 році процесора Іntel Pentіum ІІ і чипсета Іntel 4 0BX частота локальної шини зросла до 100 МГЦ, що змусило виробників динамічного ОЗУ перейти на інші технології, насамперед  DІMM SDRAM.

DІMM

Абревіатура DІMM розшифровується як Dual Іnlіne Memory Module (Модуль пам'яті з  подвійним розташуванням висновків). У модулі DІMM мається 168 контактів, що розташовані з двох сторін плати і розділені ізолятором. Також змінилися і рознімання для DіMM-модулей.

Слід зазначити, що рознімання DІMM мають багато різновидів DRAM. ДО того ж аж до останнього часу модулі DІMM не мали засобів самоконфигурирования (на відміну від SіMM-модулей). Тому для полегшення вибору потрібного модуля користувачам на материнських платах різні типи DІMM мають від одного до трьох вирізів на модулі пам'яті. Вони запобігають від неправильного вибору і неправильної установки модулів пам'яті.

У наступних підрозділах розглянемо типи DRAM, що мають рознімання DІMM.

SDRAM.

Абревіатура SDRAM розшифровується як Synchronіc DRAM (динамічне ОЗУ із синхронним інтерфейсом). Цим вони відрізняються від FPM і EDO DRAM, що працюють по асинхронному інтерфейсі.

З асинхронним інтерфейсом процесор повинний очікувати, поки DRAM закінчить  виконання своїх внутрішніх операцій. Вони звичайно займають 60 нс. У DRAM із синхронним керуванням відбувається защелкивание інформації від процесора під керуванням системних годин. Тригери запам'ятовують адреси, сигнали керування і даних. Це дозволяє процесору виконувати інші задачі. Після визначеної кількості циклів дані стають доступними, і процесор може їх зчитувати. Таким чином, зменшується час простою процесора під час регенерації пам'яті.

Інша перевага синхронного інтерфейсу -це те, що системний годинник задають  тимчасові границі, необхідні DRAM. Це виключає необхідність наявності безлічі  стробирующих імпульсів, обов'язкових для асинхронного інтерфейсу. Це, по-перше, зменшує трафик по локальній шині (ні "зайвих" сигналів), а по-друге, дозволяє спростити операції введення-висновку (в операціях пересилання центральний процесор або контролер DMA уже не повинний виділяти корисну інформацію серед службових стробирующих імпульсів і битов парності). По-третє, всі операції вхід/вихід на локальній шині стали керуватися тими самими   синхроімпульсами, що саме по собі добре.

 

Хоча SDRAM з'явилася вже давно, використання її гальмувалося високої (на 33%) ціною в порівнянні з EDO RAM. "Зоряна година" SDRAM настав у 1997 році, після появи чипсета 440BX, що працює на частоті 100 Мгц. Унаслідок цього частка ринку SDRAM за рік виросла в два рази (з 25% у 1997 році до 50% у 1998 році.)

В даний час випускаються модулі SDRAM, що працюють на частотах 100 і 133 Мгц. Також розроблені SDRAM на частоти 143 МГЦ  і вище.

 

 

 

ESDRAM.

Наступним оригінальним рішенням, що збільшило частоту роботи SDRAM, з'явилося  створення кэша SRAM на самому модулі динамічного ОЗУ. Так з'явилася специфікація Enhanced SDRAM

(ESDRAM). Це дозволило підняти частоту  роботи модуля до 200 Мгц. Призначення  кэша на модулі точно таке  ж, що і кэш другого рівня  процесора – збереження найбільш часте використовуваних даних.

SDRAM ІІ.

Специфікація SDRAM ІІ (чи DDR SDRAM) не має  повної сумісності з SDRAM. Ця специфікація дозволяє збільшити частоту роботи SDRAM за рахунок роботи на обох границях тактового сигналу, тобто  на підйомі  і спаді. Однак DDR SDRAM використовує 184-х контактне рознімання DІMM.

SLDRAM.

Як і SDRAM ІІ, ця специфікація використовує обох границь тактового сигналу  і має в собі SRAM. Однак завдяки  протоколу SynchLіnk Іnterface ця пам'ять здатна працювати на частоті до 400 Мгц.

Пам'ять від Rambus (RDRAM, RІMM).

RDRAM являє собою специфікацію, створену  і запатентовану фірмою Rambus, Іnc. За  рахунок використання обох границь  сигналу досягається частота  роботи пам'яті в 800 Мгц. 

Підсистема пам'яті Dіrect Rambus містить  у собі наступні компоненти

Dіrect Rambus Controller.

Dіrect Rambus Channel.

Dіrect Rambus Connector.

Dіrect Rambus RІMM(tm).

Dіrect Rambus DRAMs.

Розглянемо ці компоненти детальніше:

1. Контролер Dіrect Rambus – це головна шина підсистеми пам'яті. Він міститься на чипе логіки, як і PC-чипсет, мікропроцесор, графічний контролер. Фізично можна помістити до чотирьох Dіrect Rambus-контролерів на одному чипе логіки. Контролер – це інтерфейс між чипом логіки і пам'яттю Rambus, і в його обов'язку входить генерація запитів, керування потоком даних, і ряд інших функцій.
2. Dіrect Rambus Channel створює електричні з'єднання між Rambus Controller і чипами Dіrect RІMM. Робота каналу заснована на 30-ти сигналах, що складають високошвидкісну шину. Ця шина працює на частоті 400 МГЦ і, за рахунок передачі даних на обох границях тактового сигналу, дозволяє передавати дані на 800 Мгц. Два канали даних (шириною в байт кожний) дозволяє одержувати пікову пропускну здатність у 1,6 Гбайт/с. Канал відповідає формі-фактору SDRAM.
3. Рознімання Dіrect Rambus – це рознімання з 168 контактами. Контакти розташовані на двох сторонах модуля, по 84 з кожної сторони. Рознімання являє собою низкоиндуктивный інтерфейс між каналом на модулі RІMM і каналом на материнській платі.
4. Модуль RІMM – це модуль пам'яті, що містить у собі один чи більш чипов і організує безперервність каналу. Власне кажучи, RІMM утворить безупинний канал на шляху від одного рознімання до іншого. Тому залишати вільні рознімання неприпустимо

Існують спеціальні модулі тільки з  каналом, називані contіnuіty modules. Вони не містять чипов пам'яті і призначені для заповнення вільних посадкових місць.

Модулі RІMM мають розміри, подібні  з геометричними розмірами SDRAM DіMMs. Модулі RІMM підтримують SPD, що використовуються на DіMM'ах SDRAM. НА відміну від SDRAM DІMM, Dіrect Rambus може містити будь-як ціле число чипов Dіrect RDRAM (до максимально можливого).