Оперативная память персонального компьютера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

По дисциплине: «Конструкция персонального компьютера»

На тему: «Оперативная память персонального компьютера»

 

Введение

 

 

 Оперативная память - в информатике - память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию. Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кэш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

 

  Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с ЦП

 

Оперативная память персональных компьютеров сегодня, как и десять лет тому назад, строится на базе относительно недорогой динамической памяти - DRAM (Dynamic Random Access Memory). Множество поколений интерфейсной логики, сменилось за это время. Эволюция носила ярко выраженный преемственный характер - каждое новое поколение памяти практически полностью наследовало архитектуру предыдущего, включая, в том числе, и свойственные ему ограничения. Ядро же памяти (за исключением совершенствования проектных норм таких, например, как степень интеграции) и вовсе не претерпевало никаких принципиальных изменений. Даже "революционный" Rambus Direct RDRAM ничего подлинного революционного в себе не содержит и хорошо вписывается в общее "генеалогическое" древо развития памяти.

Поэтому, устройство и принципы функционирования оперативной памяти лучше всего изучать от самых старых моделей памяти до самых современных разработок.

 

Устройство и принципы функционирования оперативной памяти

 

Ядро микросхемы динамической памяти состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками (ROW), а вертикальные - столбцами (Column) или страницами (Page).

Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится ячейки - несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора.

 

 

Конденсатору отводится роль непосредственного хранителя информации. Объем, которого составляет - всего один бит. Отсутствие

 

заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие - логической единице. Транзистор же играет роль "ключа", удерживающего конденсатор от разряда. В спокойном состоянии транзистор закрыт, но, стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом.

Чувствительный усилитель (sense amp), подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Именно страница является минимальной порцией обмена с ядром динамической памяти. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможно! Действительно, открытие одной строки приводит к открытию всех, подключенных к ней транзисторов, а, следовательно, - разряду закрепленных за этими транзисторами конденсаторов.

Чтение ячейки деструктивно по своей природе, поскольку sense amp (чувствительный усилитель) разряжает конденсатор в процессе считывания его заряда. Благодаря этому динамическая память представляет собой память разового действия. Для борьбы с потери памяти прибегают к ее регенерации - периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью. В зависимости от конструктивных особенностей регенератор может находиться как в контроллере, так и в самой микросхеме памяти. В современных модулях памяти регенератор чаще всего встраивается внутрь самой микросхемы, причем перед регенерацией содержимое обновляемой строки копируется в специальный буфер, что предотвращает блокировку доступа к информации.

 

 

 

 

Эволюция динамической памяти

 

В микросхемах памяти, выпускаемых до середины девяностых, были существенные недостатки (большие задержки передачи данных, малый объем памяти и т.д.). С появлением Intel Pentium 60 (1993 год) и Intel 486DX4 100 (1994 год) возникла потребность в совершенствовании динамической памяти.

 

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) быстрая страничная память

 

Первой моделью стала FPM-DRAM - Fast-Page Mode DRAM (Память быстрого страничного режима), разработанная в 1995 году. Основным отличием от памяти предыдущего поколения стала поддержка сокращенных адресов. Если очередная запрашиваемая ячейка находится в той же самой строке, что и предыдущая, ее адрес однозначно определяется одним лишь номером столбца и передача номера строки уже не требуется. При последовательном чтении ячеек памяти, (равно как и обработке компактных одно-двух килобайтовых структур данных), время доступа сокращается на 40%, так как обрабатываемая строка находится во внутреннем буфере микросхемы, и обращаться к матрице памяти нет никакой необходимости.

Недостатками FPM-DRAM памяти стало хаотичное обращение к памяти, равно как и перекрестные запросы ячеек из различных страниц, со всей очевидностью не могут воспользоваться преимуществами передачи сокращенных адресов и работают с FPM-DRAM в режиме обычной DRAM. Ситуация, когда запрашиваемая ячейка находится в открытой строке, называется "попаданием на страницу" (Page Hit), в противном случае говорят, что произошел промах (Page Miss). Поскольку, промах облагается штрафными задержками, критические к быстродействию модули должны разрабатываться с учетом особенностей архитектуры FPM-DRAM, так что абстрагироваться от ее устройства уже не получается. Возникла и другая проблема: непостоянство времени доступа затрудняет измерение производительности микросхем памяти и сравнение их скоростных показателей друг с другом.

 

EDO-DRAM (Extended Data Out) память с усовершенствованным выходом

 

С увеличением тактовой частоты микропроцессоров, требовалось качественное новое решение оперативной памяти, а не оптимизация FPM DRAM памяти. И в 1996 году был придуман новый интерфейс оперативной памяти - EDO-DRAM. Его основным отличием было в том, что каждую микросхему оснастили специальным триггером-защелкой, который удерживал линии данных после исчезновения сигнала подзарядки, что дало возможность дезактивировать сигнал подзарядки до окончания чтения данных, подготавливая в это время микросхему к приему номера следующего столбца.

 

Модуль памяти EDO-DRAM BEDO (Burst EDO) - пакетная EDO RAM

 

Двукратное увеличение производительности было достигнуто лишь в BEDO-DRAM (Burst EDO). Добавив в микросхему генератор номера столбца, конструкторы ликвидировали задержку сигнала подзарядки, сократив время цикла до 15 нс. После обращения к произвольной ячейке микросхема BEDO автоматически, без указаний со стороны контроллера, увеличивает номер столбца на единицу, не требуя его явной передачи. По причине ограниченной разрядности адресного счетчика (конструкторы отвели под него всего лишь два бита) максимальная длина пакета не могла превышать четырех ячеек (22=4).

Главным преимуществом BEDO памяти по сравнению с EDO RAM было то что она работала на максимально возможной скорости с частотой 66 МГц, т.е. она была на ~40% быстрее EDO-DRAM! Все же, несмотря на свои скоростные показатели, BEDO оказалась не конкурентоспособной и не получила практически никакого распространения. Просчет состоял в том, что

 

BEDO, как и все ее предшественники, оставалась асинхронной памятью. Это накладывало жесткие ограничения  на максимально достижимую тактовую  частоту, ограниченную 60 - 66 (75) мегагерцами.

 

SDRAM (Synchronous DRAM) - синхронная DRAM

 

Появление микропроцессоров с шинами на 100МГц привело к радикальному пересмотру механизма управления памятью, и подтолкнуло конструкторов к созданию синхронной динамической памяти - SDRAM (Synchronous-DRAM). Как и следует из ее названия, микросхемы SDRAM памяти работают синхронно с контроллером, что гарантирует завершение цикла в строго заданный срок. Кроме того, номера строк и столбцов подаются одновременно, с таким расчетом, чтобы к приходу следующего тактового импульса сигналы уже успели стабилизироваться и были готовы к считыванию.

Так же, в SDRAM реализован усовершенствованный пакетный режим обмена. Контроллер может запросить как одну, так и несколько последовательных ячеек памяти, а при желании - всю строку целиком! Это стало возможным благодаря использованию полноразрядного адресного счетчика уже не ограниченного, как в BEDO, двумя битами.

Другое усовершенствование. Количество матриц (банков) памяти в SDRAM увеличено с одного до двух (а, в некоторых моделях, и четырех). Это позволяет обращаться к ячейкам одного банка параллельно с перезарядкой внутренних цепей другого, что вдвое увеличивает предельно допустимую тактовую частоту. Помимо этого появилась возможность одновременного открытия двух (четырех) страниц памяти, причем открытие одной страницы (т.е. передача номера строки) может происходить во время считывания информации с другой, что позволяет обращаться по новому адресу столбца ячейки памяти на каждом тактовом цикле.

 

 

В отличие от FPM-DRAM\EDO-DRAM\BEDO, выполняющих перезарядку внутренних цепей при закрытии страницы синхронная память проделывает эту операцию автоматически, позволяя держать страницы открытыми столь долго, сколько это угодно. Еще одно преимущество - разрядность линий данных увеличилась с 32 до 64 бит, что еще вдвое увеличило ее производительность.

 

Модуль памяти SDRAM. DDR SDRAM, SDRAM II (Double Data Rate SDRAM)

 

Дальнее развитие синхронной памяти привело к появлению DDR-SDRAM - Double Data Rate SDRAM (SDRAM удвоенной скорости передачи данных). Удвоение скорости достигается за счет передачи данных и по фронту, и по спаду тактового импульса (в SDRAM передача данных осуществляется только по фронту). Благодаря этому эффективная частота увеличивается в два раза - 100 МГц DDR-SDRAM по своей производительности эквивалента 200 МГц SDRAM. Правда, по маркетинговым соображениям, производители DDR-микросхем стали маркировать их не тактовой /* рабочей */ частой, а максимально достижимой пропускной способностью, измеряемой в мегабайтах в секунду.

Претерпела изменения и конструкция управления матрицами (банками) памяти. Во-первых, количество банков увеличилось с двух до четырех, а, во-вторых, каждый банк обзавелся персональным контроллером (не путать с контроллером памяти!), в результате чего вместо одной микросхемы мы получили как бы четыре, работающих независимо друг от друга. Соответственно, максимальное количество ячеек, обрабатываемых за один такт, возросло с одной до четырех.

 

RDRAM (Rambus DRAM) - Rambus-память

 

С DDR-SDRAM жесточайше конкурирует Direct RDRAM, разработанная компанией Rambus. Имеет основных отличий от памяти предыдущих поколений всего три:

а) увеличение тактовой частоты за счет сокращения разрядности шины,

б) одновременная передача номеров строки и столба ячейки,

в) увеличение количества банков для усиления параллелизма.

Повышение тактовой частоты вызывает резкое усиление всевозможных помех и в первую очередь электромагнитной интерференции, интенсивность которой в общем случае пропорциональна квадрату частоты, а на частотах свыше 350 мегагерц вообще приближается к кубической. Это обстоятельство налагает чрезвычайно жесткие ограничения на топологию и качество изготовления печатных плат модулей микросхемы, что значительно усложняет технологию производства и себестоимость памяти. С другой стороны, уровень помех можно значительно понизить, если сократить количество проводников, т.е. уменьшить разрядность микросхемы. Именно по такому пути компания Rambus и пошла, компенсировав увеличение частоты до 400 МГц (с учетом технологии DDR эффективная частота составляет 800 МГц) уменьшением разрядности шины данных до 16 бит (плюс два бита на ECC). Таким образом, Direct RDRAM в четыре раза обгоняет DDR по частоте, но во столько же раз отстает от нее в разрядности.

Второе (по списку) преимущество RDRAM - одновременная передача номеров строки и столбца ячейки - при ближайшем рассмотрении оказывается вовсе не преимуществом, а конструктивной особенностью. Это не уменьшает латентности доступа к произвольной ячейке (т.е. интервалом времени между подачей адреса и получения данных), т.к. она, латентность, в большей степени определяется скоростью ядра, а RDRAM функционирует на старом ядре. Из спецификации RDRAM следует, что время доступа составляет 38,75 нс. (для сравнения время доступа 100 МГц SDRAM составляет 40 нс.). Большое количество банков позволяет (теоретически) достичь идеальной конвейеризации запросов к памяти, - несмотря на то, что данные поступают на шину лишь спустя 40 нс. после подачи запроса (что соответствует 320 тактам в 800 МГц системе), сам поток данных непрерывен.

Таким образом, использование RDRAM в домашних и офисных компьютеров, ничем не оправдано. Для высокопроизводительных рабочих станций лучший выбор - DDR-SDRAM, не уступающей RDRAM в производительности, но значительно выигрывающей у последней в себестоимости.

 

Заключение

 

В настоящее время объем оперативной памяти пошел на сотни мегабайт и более. Правда, производительность подсистемы памяти все еще оставляет желать лучшего. Причем, современная ситуация даже хуже, чем десять-пятнадцать лет тому назад. Если персональные компьютеры конца восьмидесятых - начала девяностых оснащались микропроцессорами с тактовой частотой порядка 10 МГц и оперативной памятью со временем доступа 200 нс., типичная конфигурация ПК ближайшего будущего будет составлять в сотни и тысячи раз больше. Нетрудно подсчитать, что во времена главенства IBM XT/AT обращение к одной ячейке занимало буквально пару тактов процессора и это притом, что большинство арифметических команд отнимало десятки тактов. Современные же процессоры тратят на чтение произвольной ячейки, порой сотни тактов, выполняя в это же самое время чуть ли не по три вычислительных инструкций за такт.