Оперативная память. Оперативная память (RAM — Random Access Метопy) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные

Итак, оперативная память компьютера, которая еще называется энергозависимой. Она же - DRAM (Dynamic Random Access Memory) - динамическая память с произвольным доступом или оперативное запоминающее устройство, сокращенно - ОЗУ.

Давайте разберемся почему же она именно так называется? Во время работы компьютера в оперативной памяти хранятся все данные и программы, запущенные во время работы пользователем. Слово «энергозависимая» в отношении памяти означает лишь то, что при выключении питания системного блока (завершения работы) оперативная память компьютера обнуляется. Исчезает все ее содержимое.

Есть еще энергонезависимая память - это жесткий диск Вашего компьютера, ведь данные на нем сохраняются даже после выключения питания.

«Динамическая память с произвольным доступом»: доступ (обращение) к разным ее ячейкам происходит в произвольном порядке и в разные моменты времени, отсюда и определение. А вот со словом «динамическая» ситуация более сложная. Давайте разбираться!

Наименьшей единицей структуры оперативной памяти компьютера является ячейка. Массив близко расположенных ячеек объединяется в условные прямоугольные таблицы, которые называются матрицами. Горизонтальные линейки такой матрицы называют строками, а вертикальные столбцами. Весь прямоугольник матрицы носит название «страница», а совокупность страниц называется банком. Все эти вещи немного виртуальны, в том смысле, что, к примеру, «банком» может называться как целый модуль DIMM, так и отдельная его часть (микросхемы памяти, расположенные с одной его стороны).

В любом случае, схему строения оперативной памяти компьютера (ее фрагмента) можно видеть на картинке ниже:

Как мы уже говорили, наименьшей единицей на физическом уровне является ячейка. Ячейка состоит из одного микро-конденсатора (на схеме выше обозначен как С) и трех транзисторов (VT). Конденсатор хранит небольшой заряд, а транзисторы выступают в роли «ключей», которые, с одной стороны, не дают заряду конденсатора самопроизвольно стечь, а с другой, - разрешают/запрещают доступ к конденсатору на чтение или изменение.

Каждый конденсатор может хранить наименьшую единицу информации - один бит данных. Если конденсатор заряжен, то, согласно двоичной системе счисления, применяющейся в компьютерах, - это логическая «единица», если заряда нет - логический «ноль» и данных нет.

В теории схема организации работы оперативной памяти выглядит красиво, но идеальных решений нет и на практике разработчикам приходится сталкиваться с тем, что заряд из конденсатора достаточно быстро уходит или происходит его частичная самопроизвольная разрядка (не спасают положение и «ключи»), поэтому не остается иного выхода, как периодически подзаряжать его. Насколько часто? Несколько десятков раз в секунду! И это при том, что таких конденсаторов в одном чипе памяти - несколько миллионов!

В итоге, состояние всей памяти должно постоянно считываться и за небольшой промежуток времени снова обновляться (в противном случае все ее данные просто исчезнут). Вот именно поэтому она получила название «динамическая», имелось в виду ее динамическое автоматическое обновление или регенерация. На фото выше мы можем видеть специальные ее блоки, которые отвечают за эту функцию.

Также нужно учитывать то, что процесс считывания в DRAM деструктивен: после обращения к любой ячейке ее конденсатор разряжается и чтобы не потерять содержащиеся в ней данные конденсатор нужно снова зарядить. Второй «сюрприз» состоит в том, что, в силу конструктивных особенностей, дешифратор адреса строки/столбца отдает команду на считывание не одной конкретной ячейки, а сразу всей строки (или столбца). Считанные данные полностью сохраняются в буфере данных и потом из них уже отбираются запрашиваемые приложением. После этого сразу же нужно перезарядить целый ряд ячеек!

Хоть и может показаться, что процесс регенерации (обновления) носит несколько хаотичный характер, но это не так. Контроллер оперативной памяти через равные промежутки времени берет строго регламентированную технологическую паузу и в это время проводит полный цикл регенерации всех данных.

Когда-то я прочитал хорошую фразу: «Динамическую память можно сравнить с дырявым ведром. Если его постоянно не пополнять, то вся вода вытечет!» Что-то условно похожее и происходит в ситуации с DRAM. Естественно, все эти дополнительные команды и циклы зарядки-разрядки приводят к дополнительным задержкам в работе и не являются признаком высокого КПД конечного изделия. Так почему нельзя придумать что-то более эффективное? Можно! И оно уже придумано - статическая память с произвольным доступом (SRAM - Static Random Access Memory).

Статическая память работает намного быстрее динамической посредством переключения триггеров и не нуждается в регенерации. Она с успехом применяется при построении кешей центрального процессора и в кадровых буферах дискретных видеокарт . Можно ли организовать на базе SRAM основную системную память компьютера? Можно, но из-за усложнения конструкции она будет стоить намного дороже и производителям это просто не выгодно:)

Думаю, логично, если рассматривать мы будем оперативную память типа DIMM. Аббревиатура расшифровывается как «Dual In-Line Memory Module» (двухсторонний модуль памяти), а именно такие платы до сегодняшнего дня и используются в персональных компьютерах.

Память стандарта DIMM в конце 90-х годов прошлого века пришла на смену предыдущему стандарту SIMM (Single In-Line Memory Module - односторонний модуль памяти). Фактически, модуль DIMM представляет собой печатную плату с нанесенными на нее контактными площадками. Это - своеобразная основа: чипы памяти и прочая электрическая «обвязка» производителем добавляются уже потом.

Принципиальное отличие DIMM от SIMM, кроме размеров, состоит в том, что в новом стандарте электрически контакты на модуле расположены с двух сторон и являются независимыми, а в SIMM они расположены только с одной его стороны (встречаются и с двух, но там они просто закольцованы и передают, по сути, один и тот же сигнал). Стандарт DIMM способен также реализовывать такую функцию, как обнаружение и исправление ошибок с контролем четности (ECC), но об этом ниже.

Оперативная память компьютера это то место, где центральный процессор сохраняет все промежуточные результаты своих вычислений и работы, забирая их обратно по необходимости для дальнейшей обработки. Можно сказать, что RAM - это рабочая область для центрального процессора компьютера.

Услугами оперативной памяти также с удовольствием пользуются и видеокарты (если им не хватает для размещения данных объема своей). Встроенное видео собственной вообще не имеет и без зазрения пользуется оперативной.

Давайте посмотрим на то, как выглядят обычные модули DIMM:

Оперативная память компьютера - многослойная пластина текстолита (на фото - зеленая и красная соответственно). Печатная плата (PCB - printed circuit board) - это основа с нанесенными на ней печатным способом элементами. Впаянное в нее определенное количество микросхем памяти (на фото - по четыре с каждой стороны) и разъем подключения, который вставляется в соответствующий слот на материнской плате .

Разъем модуля, фактически, определяет тип нашей DRAM (SDRAM, DDR, DDR2, DDR3 и т.д.). Присмотритесь повнимательней и Вы увидите, что на фотографии разъем разделен пополам небольшим разрезом (его называют «ключ»). Именно этот «ключ» не позволяет вставить модуль памяти в несовместимый с ней разъем на материнской плате. Важно: «ключи» на модуле и на плате должны совпадать идеально. Это защита от неправильной установки в плату.

На схеме ниже представлено расположение «ключей» для разных типов модулей:

Как видите, длина у всех модулей одинаковая. Внешне разница только в количестве контактных площадок на разъеме и расположении «ключей».

Теперь коротко рассмотрим самые распространенные типы оперативной памяти. Разные ее поколения:

• SDRAM - (Synchronous Dynamic Random Access Memory - синхронная динамическая память с произвольным доступом). Модуль с 168-мю пинами (контактами), питающийся от напряжения 3,3 Вольта (V).
• DDR - (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных). Позволяет (в отличие от SDRAM) делать выборку (или передавать данные) дважды за один такт шины памяти. Модуль имеет 184 контакта, его питающее напряжение - 2,6 V. С появлением памяти стандарта DDR предыдущее поколение памяти стали называть SDR SDRAM (Single Data Rate DRAM).
• DDR2 - следующее поколение чипов. Она позволяет за один такт передавать уже 4 бита информации (два набора данных) из ячеек микросхем памяти в буферы ввода-вывода. Печатная плата с 240-ка контактами (по 120 с каждой стороны). Ее напряжение питания - 1,8 В.
• DDR3 - следующее поколение, способное за один такт делать выборку 8-ми бит данных, 240 контактов и питающее напряжение в 1,5 Вольта. При этом энергопотребление памяти DDR3 на 40% меньше, чем у DDR2, что достаточно важно при ее использовании с мобильных устройствах (ноутбуках). Снижение энергопотребления достигается за счет перехода на более «тонкий» техпроцесс (90-65-50-40 нанометров).
• DDR4 - появилась на рынке в 2014-ом году. Эволюция DDR3 (пониженное напряжение (1.2V), чуть больше контактов - 288, чуть выше модуль, скорость передачи удвоена за счет двойного количества самих чипов памяти). Скорость передачи данных до 3.2 Гигабита в секунду. Максимальная частота работы памяти данного типа - 4 266 МГц

Итак, признаками, которые характеризуют оперативную память компьютера можно считать следующие:

1. Тип ОЗУ (SDRam, DDR и т.д.)
2. Объем модулей
3. Тактовая частота их работы
4. Тайминги (задержки при доступе и выборке данных из чипов - латентность)

Пункт первый мы рассматривали выше, а вот по остальным давайте пройдемся. Объем микросхем памяти сейчас постоянно увеличивается и сейчас модулем в 1 Gb (гигабайт) уже никого не удивишь. А раньше я хорошо помню, какой благоговейный трепет вызывала во мне фраза: «У меня на работе на компьютере установлено 128 мегабайт RAM!» Причем знакомый на тот момент работал с трехмерной графикой в программе моделирования «3DMax»:) Сейчас есть модули по 16 гигабайт каждый и я уверен, что это не предел.

Идем дальше: тактовая частота. Измеряется в мегагерцах (МГц - MHz) и общим правилом является то, что чем она больше, тем память работает быстрее. Например, память DDR4 работает на частоте 4266 Мегагерц. При более высокой частоте возрастает и пропускная способность оперативной памяти (то, сколько данных она может «прокачать» через себя за единицу времени).

Вот небольшая сводная таблица, наглядно показывающая этот момент:

Тайминги (латентность) - это показатель временной задержки между поступлением в память команды и временем ее выполнения. Латентность определяется таймингами, измеряемыми в количестве тактов между отдельными командами. Настройка таймингов происходит в биосе и изменением их значений можно добиться определенного прироста производительности работы компьютера.

Пользуясь случаем, хотелось бы добавить небольшую ремарку по поводу всех этих «новых» типов памяти: DDR2, 3, 4 и т.д. Грубо говоря, это все тот же старый добрый SDRAM модуль, но немного переделанный. Поскольку увеличивать частоту работы самой памяти накладно (никто не любит заниматься этим из-за неизбежного нагрева, возникающего после этого), производители пошли на хитрость.

Вместо существенного увеличения тактовой частоты самой памяти, они увеличили разрядность внутренней шины данных (от ячеек матриц памяти до буферов ввода-вывода) и сделали ее в два раза большей, чем разрядность внешней шины (от контроллера до микросхем памяти). Получилось, что за один такт считывается столько данных, сколько раньше считывалось по внешней шине только за два такта. При этом, ширина внешней шины данных составляет, как и раньше, 64 бита, а внутренней - 128/256/512 и т.д. бит.

Еще одной «уловкой», позволяющей поднять быстродействие без увеличения частоты является параллельная установка модулей для включения двух и трехканального режимов работы (double и triple-channel соответственно). Это еще немного увеличивает быстродействие подсистемы памяти (5-10 процентов). Для работы в таком режиме предпочтительно использовать Kit-ы. «KIT» - это набор модулей, состоящий из нескольких «планок», которые уже протестированы для кооперативной работы друг с другом.

На современных материнских платах слоты (разъемы) для памяти через один выделены разными цветами. Это сделано именно для облегчения установки в них похожих (в идеале - одинаковых) модулей. Если установка прошла успешно, режим мультиканальности включится автоматически. На фото ниже представлены платы с возможностью работы оперативной памяти в трех и четырехканальном режимах.

А вот так могут выглядеть на плате четыре канала оперативной памяти (quad-channel) :

Сейчас мультиканальные режимы памяти используются достаточно широко. Идея состоит в следующем: двухканальный контроллер памяти может обращаться одновременно (параллельно) к каждому четному и нечетному модулю. Например: первый и третий модуль передают и принимают данные одновременно со вторым и четвертым. При традиционном подходе (одноканальный режим) все установленные модули обслуживались одним контроллером (каналом), которому приходилось быстро переключаться между ними.

Общая скорость каждого канала определяется самым медленным модулем DIMM, который в нем установлен. Также старайтесь придерживаться рекомендации, гласящей: в каждый из каналов нужно устанавливать планки одинакового объема.

Сейчас несколько слов о микросхемах оперативной памяти (чипах). Как и любой элемент компьютера на который подается напряжение, память греется. Как мы помним, комплектующие внутри системного блока подпитываются определенным количеством постоянного тока, которое им отдает блок питания - 12V, 5V или 3 Вольта.

Греются непосредственно сами микросхемы. И некоторые производители плат ставят на свои изделия небольшие радиаторы для отвода тепла. Радиаторы, как правило, просто приклеиваются с помощью специального состава или держатся на термопасте .

Радиатор также может защелкиваться сверху:

Вот, к примеру, какой образец оперативной памяти компьютера от брендовой компании «OCZ» находится в моей домашней коллекции:

Вещь! Двойной радиатор, плата приятно тяжелит ладонь и вообще производит впечатление предмета, сделанного на совесть. Плюс - пониженные тайминги работы:)

Помню в 2008-ом году я некоторое время работал на одной крупной фирме. Компьютеризировано там было все достаточно серьезно. В IT отделе там работали, в хорошем смысле этого слова, настоящие «маньяки» своего дела:) Когда я впервые посмотрел на вкладку свойств тамошнего терминального сервера, который работал под управлением 64-х разрядной ОС Windows Server 2003, я мягко говоря, очень удивился. Я увидел цифру в 128 (сто двадцать восемь) гигабайт оперативной памяти! Понимая, что выгляжу глупо, я все таки решил переспросить, так ли это? Оказалось, что так оно и есть на самом деле (128 гигабайт DRAM). Жаль, что мне тогда не удалось взглянуть на ту материнскую плату:)

Продолжаем! Чипы памяти могут быль расположены как с одной стороны печатной платы текстолита, так и с обеих и быть разной формы (прямоугольные или квадратные), установленные как планарные SMD или же BGA компоненты. Высота самого модуля также может быть разной. Каждый из чипов оперативной памяти имеет определенную емкость, измеряемую в мегабайтах (сейчас - в гигабайтах).

Например, если у нас планка имеет объем в 256 мегабайт и состоит из 8-ми чипов то (делим 256 на 8) и получаем, что в каждой микросхеме содержится по 32 мегабайта.

Не могу обойти вниманием особый класс памяти - серверную DRAM. На фото ниже представлены несколько модулей: первый и третий - серверные варианты (можете нажать на фото для увеличения).

Чем же серверная память отличается от обычной? Даже визуально на фото выше видно, что решения для серверов имеют дополнительные чипы на плате, которые обеспечивают ей дополнительный функционал. Какой? Давайте посмотрим! Прежде всего, выясним, какие дополнительные компоненты на печатной плате оперативной памяти (кроме самих чипов ОЗУ) являются стандартными? Это ряд твердотельных танталовых SMD конденсаторов, расположенных непосредственно над контактными площадками модуля. Это - компоненты «обвязки» платы памяти.

Вторым обязательным элементом (на фото выше отмечен зеленым) можно назвать микросхему SPD. Аббревиатура расшифровывается как «Serial Presence Detect» - интерфейс последовательного детектирования или последовательное определение наличия. Как-то так:) По сути, - это программируемое ПЗУ, в котором «зашиты» настройки каждого модуля памяти: все параметры, частоты, тайминги, режимы работы и т.д. Именно оттуда при старте компьютера они считываются микросхемой биоса.

Дополнительным микросхемы на серверных платах (обведены красным) обеспечивают возможность выявления и исправления ошибок чтения/записи (технология ECC) и частичной буферизации (регистровость памяти).

Примечание: ECC - (error-correcting code - код коррекции ошибок) Алгоритм выявления и исправления случайных ошибок при передаче данных (не более одного-двух битов в байте).

Для реализации этих возможностей на модуль устанавливается дополнительная микросхема памяти и он становится не 64-х разрядным, как обычные DIMM, а 72-ти двух. Поэтому далеко не все материнские платы могут работать с подобной памятью. Некоторые, надо отдать им должное, - работают! :)

Нажмите на фото выше и Вы сможете увидеть дополнительные обозначения на стикере (выделены красным), которых нет для обычной памяти. Я имею в виду такие сокращения, как: «SYNCH», «CL3 (2.5)», «ECC» и «REG». Остановимся на них отдельно. Поскольку первый из приведенных на фото модулей относится к периоду распространения персональных компьютеров под общим брендом «Pentium», то на нем отдельно присутствует обозначение «SYNCH».

Помните как расшифровывается первая буква аббревиатуры памяти типа SDRAM? Synchronous (синхронная) DRAM. Тип DRAM, работающий настолько быстро, что его можно было синхронизировать по частоте с работой контроллера оперативной памяти. На тот момент это был прорыв! Предыдущие поколения ОЗУ работали в асинхронном режиме передачи данных. Теперь же, команды могли поступать в контроллер непрерывным потоком, не дожидаясь выполнения предыдущих. С одной стороны, это сокращало общее время на их передачу, но с другой (поскольку команды не могли выполняться со скоростью их поступления) появлялось такое понятие, как латентность - задержка выполнения.

Именно о величине латентности модуля серверной памяти говорит нам второй показатель на стикере «CL3». Расшифровывается как «Cas Latency» - минимальное время, измеряемое в тактах системной шины, между командой на чтение (CAS, по факту - передачей в память нужного адреса строки или столбца) и началом передачи данных.

Другое дело, что маркетологи даже здесь пытаются нас надурить и указывают только одну (наименьшую) из всех возможных задержек. На самом деле, разновидностей таймингов существует достаточно много и это - логично: организация работы по передаче, выборке и записи данных в таком большом массиве настолько сложна, что было бы странно, если бы задержек в работе памяти не было совсем или дело ограничивалось одной!

Для примера, некоторые (далеко не все) задержки представлены в таблице ниже:

Таким образом, указывая значение латентности только для одного параметра (CL) с наименьшим показателем и не давая представления о задержках памяти при других операциях, нам пытаются это дело втюхать! Не буду утверждать, что так и происходит, но ощущение возникает именно такое:)

Обозначение ECC мы уже рассматривали выше, не будем повторяться. А вот с указателем «REG» давайте разберемся! Как правило, так обозначаются регистровые (Registered) модули оперативной памяти. Что это значит? Между чипами ОЗУ и шиной устанавливается дополнительная микросхема, которая выполняет роль своеобразного буфера. Поэтому подобный тип регистровой памяти часто называют буферизованной (Buffered) или с частичной буферизацией.

Наличие на модуле памяти специальных регистров (буфера) снижает нагрузку на систему синхронизации (электрической регенерации), разгружая ее контроллер. Регистры относительно быстро сохраняют поступающие в них данные, которые часто требуются приложению. Наличие буфера между контроллером и чипами памяти приводит к образованию дополнительной задержки в один такт, но для серверных систем это нормально. Получаем более высокую надежность за счет небольшого падения производительности.

Оперативная память для ноутбуков называется SO-Dimm и имеет, в силу понятных причин, укороченный дизайн. Выглядит она следующим образом:

Она гораздо более компактна, чем ее десктопные визави, но также имеет уникальный «ключ». Запомните: по положению «ключа» можно определить тип микросхемы. Ну, еще - по надписи на стикере (наклейке) :)

И совсем уж напоследок: приобретайте оперативную память зарекомендовавших себя производителей: «Samsung», «Corsair», «Kingston», «Patriot», «Hynix», «OCZ» и тогда проблемы оперативной памяти будут обходить Вас стороной.

Министерство образования и науки нижегородской области

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Борский Губернский колледж»

Специальность 230701 Прикладная информатика (по отраслям)

Реферат

На тему: Структура оперативной памяти.

По дисциплине: Операционные системы и среды.

Выполнил:

студент гр. ИТ-41

Родов А.Е.

Проверил:

Марков А.В.

Городской округ города Бор

Введение

Оперативной памяти (от англ. Random Access Memory ) памятьс произвольным доступом. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

1. Структура оперативной памяти

Оперативная память состоит из ячеек, в каждой из которых может находиться единица информации – машинное слово. Каждая ячейка имеет две характеристики: адрес и содержимое. Через регистр адреса микропроцессора можно обратиться к любой ячейке памяти.

2. Сегментная модель памяти

Когда-то давно, на заре рождения компьютерной техники, оперативная память была очень маленькой и для ее адресации использовались 2 байта (так называемое «слово»). Такой подход позволял адресовать 64 Кб памяти, и адресация была линейной – для указания адреса использовалось одно-единственное число. Позже, с усовершенствованием техники, производители поняли, что имеется возможность поддерживать большие объемы памяти, но для этого нужно сделать размер адреса больше. Для совместимости с уже написанным программным обеспечением было решено сделать так: адресация теперь двухкомпонентная (сегмент и смещение) , каждая из которых 16-битная, а старые программы как использовали одну 16-битную компоненту и ничего не знают о сегментах, так и продолжают работать

4. DRAM – Dynamic Random Access Memory

DRAM – это очень старый тип микросхем оперативной памяти, который сейчас уже давно не применяется. По другому DRAM – это динамическая память с произвольным порядком выборки. Минимальной единицей информации при хранении или передаче данных в компьютере является бит. Каждый бит может быть в двух состояниях: включен (да, 1) или выключен (нет, 0). Любой объем информации в конечном итоге состоит из включенных и выключенных битов. Таким образом, что бы сохранить или передать какой либо объем данных, необходимо сохранить или передать каждый бит, не зависимо от его состояния, этих данных.

Для хранения битов информации в оперативной памяти есть ячейки. Ячейки состоят из конденсаторов и транзисторов. Вот примерная и упрощенная схема ячейки DRAM:

Каждая ячейка способна хранить только один бит. Если конденсатор ячейки заряжен, то это означает, что бит включен, если разряжен – выключен. Если необходимо запомнить один байт данных, то понадобится 8 ячеек (1 байт = 8 битам). Ячейки расположены в матрицах и каждая из них имеет свой адрес, состоящий из номера строки и номера столбца.

Теперь рассмотрим, как происходит чтение. Сначала на все входы подается сигнал RAS (Row Address Strobe) – это адрес строки. После этого, все данные из этой строки записываются в буфер. Затем на регистр подается сигнал CAS (Column Address Strobe) – это сигнал столбца и происходит выбор бита с соответствующим адресом. Этот бит и подается на выход. Но во время считывания данные в ячейках считанной строки разрушаются и их необходимо перезаписать взяв из буфера.

Теперь запись. Подается сигнал WR (Write) и информация поступает на шину столбца не из регистра, а с информационного входа памяти через коммутатор, определенный адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи определяется комбинацией сигналов адреса столбца и строки и разрешения записи данных в память. При записи данные из регистра строки на выход не поступают.

Следует учесть то, что матрицы с ячейками расположены вот таким вот образом:

Это означает, что за один раз будет считан не один бит, а несколько. Если параллельно расположено 8 матриц, то сразу считан будет один байт. Это называется разрядностью. Количество линий, по которым будут передаваться данные от (или на) параллельных матриц, определяется разрядностью шины ввода/вывода микросхемы.
Говоря о работе DRAM необходимо учитывать один момент. Все заключается в том, что конденсаторы не могут бесконечно долго хранить заряд и он в конце концов «стекает», Поэтому конденсаторы необходимо перезаряжать. Операция перезарядки называется Refresh или регенерацией. Происходит эта операция примерно каждые 2 мс и порой занимает до 10 % (а то и больше) рабочего времени процессора.

Важнейшей характеристикой DRAM является быстродействие, а проще говоря продолжительность цикла + время задержки + время доступа, где продолжительность цикла – время, затраченное на передачу данных, время задержки – начальная установка адреса строки и столбца, а время доступа – время поиска самой ячейки. Измеряется эта фигня в наносекундах (одна миллиардная доля секунды). Современные микросхемы памяти имеют быстродействие ниже 10 мс.

Оперативной памятью управляет контроллер, который находится в чипсете материнской платы, а точнее в той его части, которая называется North Bridge.

А теперь поняв как работает оперативная память, разберемся, зачем же она вообще нужна. После процессора, оперативную память можно считать самым быстродействующим устройством. Поэтому основной обмен данными и происходит между этими двумя девайсами. Вся информация в персональном компьютере хранится на жестком диске. При включении компа в ОЗУ (Оперативное Запоминающее Устройство) с винта записываются драйвера, специальные программы и элементы операционной системы. Затем туда будут записаны те программы – приложения, которые Вы будете запускать. При закрытии этих программ они будут стерты из ОЗУ. Данные, записанные в оперативной памяти, передаются в CPU (Central Processing Unit), там обрабатываются и записываются обратно. И так постоянно: дали команду процессору взять биты по таким то адресам, как то их там обработать и вернуть на место или записать на новое – он так и сделал.

Все это хорошо, до тех пор, пока ячеек ОЗУ хватает. А если нет? Тогда в работу вступает файл подкачки. Этот файл расположен на жестком диске и туда записывается все, что не влезает в ячейки оперативной памяти. Поскольку быстродействие винта значительно ниже ОЗУ, то работа файла подкачки сильно замедляет работу системы. Кроме этого, это снижает долговечность самого жесткого диска.

Увеличение объема памяти не приводит к увеличению ее быстродействия. Изменение объема памяти ни как не повлияет на ее работу. А вот если рассматривать работу системы, то тут дело другое. В том случае, если Вам хватает объема оперативной памяти, то увеличение объема не приведет к увеличению скорости работы системы. Если же ячеек ОЗУ не хватает, то увеличение их количества (проще говоря добавление новой или замене старой на новую с большим объемом линейки памяти) приведет к ускорению работы системы.

Элементы памяти составляют основу внутреннего функционирования любой вычислительной системы, так как с их помощью данные хранятся и могут быть вновь прочитаны при дальнейшей обработке. Центральный процессор имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти (Random Access Memory - RAM - память с произвольным доступом). Оперативная память представляет собой быструю запоминающую среду компьютера.

Перед оперативной памятью поставлена задача, по требования центрального процессора предоставлять необходимую информацию. Это означает, что данные в любой момент должны быть доступны для обработки. Элементы памяти являются “временными” запоминающими устройствами. Это связано не только с подачей питания, но и со строением самих модулей памяти.

Каждый элемент оперативной памяти представляет собой систему электронных ключей и конденсатор, хранящий информацию в виде заряда. Этот конденсатор не идеальный, его емкость не слишком велика, а вследствие того, что он сформирован в полупроводниковом переходе, расположенном в толще кристалла кремния, появляются еще и дополнительные сопротивления, через которые заряд стекает с конденсатора (одновременно искажая информацию в соседних ячейках). Наличие заряда на конденсаторе соответствует логической единице. Время устойчивого хранения информации в ячейке оперативной памяти составляет обычно несколько миллисекунд. После этого информацию необходимо перезаписать. Такая процедура перезаписи получила название регенерации памяти (Refresh).

Единственным способом регенерации хранимой в памяти информации является выполнение операций чтения или записи данных из памяти. Если информация заносится в оперативную память, а затем в течение нескольких миллисекунд остается невостребованной, она будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих устройств полностью разрядятся.

Регенерация памяти происходит при выполнении каждой операции чтения или записи данных в оперативную память. При выполнении любой программы нельзя гарантировать, что произойдет обращение ко всем ячейкам оперативной памяти. Поэтому имеется специальная схема, которая через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) осуществляет доступ (для считывания) ко всем строкам оперативной памяти. В эти моменты центральный процессор находится в состоянии ожидания. За один цикл схема осуществляет регенерацию всех строк оперативной памяти.

Принцип работы оперативной памяти заключается в следующем. Обычно ячейки памяти конфигурируются в матрицу строк и столбцов и полный адрес ячейки данных (1 бита информации) делится на два компонента - адрес строки (row address) и адрес столбца (column address). Для передачи на микросхему памяти адреса строки служит сигнал RAS (Row Address Strobe), а для адреса столбца - сигнал CAS (Column Address Strobe).

В процессе обращения к микросхеме динамической памяти для записи и считывания информации на ее адресные входы подается вначале - код адреса и одновременно с ним сигнал RAS, затем с незначительной задержкой, код адреса столбца, сопровождаемый сигналом CAS. Время доступа к блоку RAM определяется в первую очередь временем чтения (разряд конденсатора) и регенерации (заряд конденсатора). Рассмотрим подробнее, как работает динамическая память. При обращении к памяти (независимо от того чтение это или запись) на входы памяти подается адрес строки и сигнал RAS. Это значит, что каждая шина столбца соединяется с ячейкой памяти выбранной строки. Поскольку информация хранится в виде заряда конденсатора, то для того чтобы считать записанную в ячейке информацию, необходимо устройство с высоким входным сопротивлением, ограничивающим ток разряда конденсатора, чтобы избежать тока утечки. Таким устройством является считывающий усилитель, подключенный к каждой шине столбца динамической памяти. Информация считывается со всей строки запоминающих элементов одновременно и помещается в регистр.

Принцип работы оперативной памяти

Как уже отмечалось выше, с незначительной задержкой после сигнала RAS на входы динамической памяти подается адрес столбца и сигнал CAS. При чтении в соответствии с адресом столбца данные выбираются из регистра строки и подаются на выход динамической памяти. При считывании информации из запоминающих ячеек считывающие усилители разрушают ее, поэтому для сохранения информации необходима ее перезапись: выходы регистра строки снова соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы перезаписать считанную из строки информацию.

Если выполняется цикл записи в память, то подается сигнал WR (Write) и информация поступает на общую шину столбца не из регистра, а с информационного входа памяти через коммутатор, определенный адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи определяется комбинацией сигналов адреса столбца и строки и разрешения записи данных в память. При записи данные из регистра строки на выход (Do) не поступают.

Типы памяти

DRAM (Dynamic RAM) - динамическая оперативная память получила свое название от принципа действия ее запоминающих ячеек, которые выполнены в виде конденсаторов, образованных элементами полупроводниковых микросхем. Говоря об этом типе оперативной памяти, подразумевается микросхема с DIP-корпусом (Dual In-line Packade - корпус с 2-хрядным расположением выводов). Элементы DRAM в виде отдельных микросхем обычно устанавливаются на старых материнских платах. Эти микросхемы использовались в качестве составных модулей памяти, таких как SIP и SIMM-модули.

DRAM используется в большинстве систем оперативной памяти современных персональных компьютеров. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т. е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости.

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т. е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут "стекать" и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128?15 мкс) прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах, работающих на частотах, равных сотням мегагерц, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторых ячейках памяти заряд "стечет", а это вызовет сбои памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации.

Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры. При автоматической установке системная плата считывает параметры синхронизации из системы обнаружения последовательности в ПЗУ (serial presence detect - SPD) и устанавливает частоту периодической подачи импульсов в соответствии с полученными данными.

В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время имеются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 512 Мбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более 256 млн транзисторов! А ведь Pentium 4 имеет только 42 млн транзисторов. Откуда такая разница? Дело в том, что в микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последовательно, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур, в отличие от процессора, представляющего собой более сложную схему различных структур, не имеющую четкой организации.

Транзистор для каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет - записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, и к потере данных. В работающей системе подобное приводит к появлению "синего" экрана, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы.

Динамическая оперативная память используется в персональных компьютерах; поскольку она недорогая, микросхемы могут быть плотно упакованы, а это означает, что запоминающее устройство большой емкости может занимать небольшое пространство. К сожалению, память этого типа не отличается высоким быстродействием, обычно она намного "медленнее" процессора. Поэтому существует множество различных типов организации DRAM, позволяющих улучшить эту характеристику.

FPM DRAM (Fast Page Mode Dram) - микросхемы памяти, реализующие страничный режим. Этот тип памяти появился в последних моделях компьютеров с процессором 80486 и получил широкое распространение. Время доступа процессора к памяти при использовании микросхем FPM DRAM сокращается на 50% по сравнению с обычными DRAM.

EDO DRAM (Extended Data Output) память с расширенным выводом данных Широко применялась в процессорах Pentium. За счет наличия дополнительных регистров для хранения данных увеличивается объем данных, выводимых из памяти в единицу времени. Модули EDO RAM работают на 10-15% быстрее, чем FPM DRAM.

SDRAM (Sychronous DRAM) - Основная особенность данного вида памяти заключается в том, что все операции синхронизированы с тактовой частотой процессора, т.е. память и CPU работают синхронно. Синхронный интерфейс позволяет эффективно использовать шину и обеспечить на частоте 100 МГц пиковую производительность 100 Мбит/пин. При частоте 133 МГц пиковую производительность достигает 1064 Мбайт/с.

Синхронная оперативная память (SDRAM) - это первая технология оперативной памяти со случайным доступом (DRAM) разработанная для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора с внешней шиной данных. SDRAM основана на основе стандартной DRAM и работает почти также, как стандартная DRAM, но она имеет несколько отличительных характеристик, которые и делают ее более прогрессивной:

Синхронная работа SDRAM в отличие от стандартной и асинхронной DRAMs, имеет таймер ввода данных, таким образом системный таймер, который пошагово контролирует деятельность микропроцессора, может также управлять работой SDRAM. Это означает, что контроллер памяти знает точный цикл таймера на котором запрошенные данные будут обработаны. В результате, это освобождает процессор от необходимости находится в состоянии ожидания между моментами доступа к памяти.

Общие свойства SDRAM:

• Синхронизированна по тактам с CPU
• Основана на стандартной DRAM, но значительно быстрее - вплоть до 4 раз
• Специфические свойства:

Банки ячеек - это ячейки памяти внтри чипа SDRAM, которые разделяются на два, независимых банка ячеек. Поскольку оба банка могут быть задействованны одновременно, непрерывный поток данных может обеспечиваться простым переключением между банками. Этот метод называется чередованием, и он позволяет снизить общее количество циклов обращения к памяти и увеличить, в результате, скорость передачи данных. пакетный режим ускорения - это техника быстрой передачи данных, при которой автоматически генерируется блок данных (серия последовательных адресов), в каждый момент, когда процессор запрашивает один адрес. Исходя из предположения о том, что адрес следующих данных, которые будут запрошенных процессором, будет следующим, по отношению к предыдущему запрошенному адресу, который обычно истиный (это такое же предсказание, которое используется в алгоритме работы кэш-памяти). Пакетный режим может применятся как при операциях чтения (из памяти), так и при операзиях записи (в память).

Теперь о фразе, что SDRAM более быстрая память. Даже при том, что SDRAM основана на стандартной DRAM архитектуре, комбинация указанных выше трех характеристик позволяет получит более быстрый и более эффективный процесс передачи данных. SDRAM уже может передавать данные со скоростью вплоть до 100MHz, что почти в четыре раза быстрее работы стандартной DRAM. Это ставит SDRAM в один ряд с более дорогой SRAM (статическое ОЗУ) используемой в качестве внешней кэш-памяти.

SDRAM производится на основе стандартной DRAM и работает также, как стандартная DRAM - осуществляя доступ с строкам и колонкам ячеек данных. Только SDRAM объединяет свои специфичные свойства синхронного функционирования банков ячеек, и пакетной работы, для эффективного устранения состояний задержек-ожидания. Когда процессору необходимо получить данные из оперативной памяти, он может получить их в требуемый момент. Таким образом, фактическое время обработки данных непосредственно не изменилось, в отличии от увеличения эффективности выборки и передачи данных.

Для того, чтобы понять как SDRAM ускоряет процесс выборки и поиска данных в памяти, представьте себе, что центральный процессор имеет посыльного, который возит тележку по зданию оперативной памяти, и каждый раз ему нужно бросать или подбирать информацию. В здании оперативной памяти клерк, отвечающий за пересылку/получение информации, обычно тратит около 60ns, чтобы обработать запрос. Посыльный знает только, сколько требуется времени, чтобы обработать запрос, после того, как он получен. Но он не знает будет ли готов клерк, когда он приедет к нему, так что обычно он отводит немного времени на случай ошибки. Он ждет, пока клерк не будет готов получить запрос. Затем он ожидает обычное время, требующееся для обработки запроса. А затем, он задерживается, чтобы проверить, что запрошенные данные загружены в его тележку, прежде, чем отвезти тележку с данными обратно центральному процессору. Предположим, с другой стороны, что каждые 10 наносекунд пресылающий клерк в здании оперативной памяти должны быть снаружи и готовым получить другой запрос или ответить на запрос, который был получен ранее. Это делает процесс более эффективным, поскольку посыльный может прибыть именно в нужное время. Обработка запроса начинается в момент его получени. Информация посылается в CPU, когда она готова.

DDR SDRAM представляет собой дальнейшее развитие SDRAM. Как и следует из названия (Dual Data Rate - удвоенная скорость данных), у микросхем DDR SDRAM данные внутри пакета передаются с удвоенной скоростью - они переключаются по обоим фронтам синхроимпульсов. На частоте 100 МГц DDR SDRAM имеет пиковую производительность 200 Мбит/пин, что в составе 8-байтных модулей DIMM дает производительность 1600 Мбайт/с. В перспективе ожидается появление микросхем DDR-II SDRAM, в которой обмен будет на четырехкратной частоте синхронизации.

RDRAM (Rambus DRAM) разработанная американской компанией Rambus. Память RDRAM синхронный интерфейс, является 9-разрядной. Запоминающее ядро этой памяти построено на КМОП-ячейках динамической памяти. Тактовая частота 350-400 МГц и достигает пиковой скорости передачи данных 1600 Мб/с. По сравнению с DDR SDRAM имеет более компактный интерфейс и большую масштабируемость. NVRAM использует для долговременного хранения данных, которые ни при каких обстоятельствах не должны быть утеряны. Буквы NV в имени обозначают Non Volatile, то есть “не временная”. Элементы NVRAM не нуждаются в электропитании и сохраняют свое содержимое в течение длительного времени.

ROM - энергонезависимая память с относительно долгой процедурой перезаписи.

Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах, DDC и DUC , таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS . Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства называются ROM (read only memory - память доступная только для чтения).

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером BIOS .

BootROM - прошивка, такая, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, и установить её в сетевую карту, то становится возможна загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат, BootROM можно активировать через BIOS .

По типу исполнения:

• Микросхема ПЗУ;
• Один из внутренних ресурсов однокристальной микроЭВМ (микроконтроллера), как правило FlashROM.
• Компакт-диск;
• Перфокарта;
• Перфолента;
• Монтажные «1» и монтажные «0».

По разновидностям микросхем ПЗУ:

• ROM - масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.
• PROM - ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.
• EPROM - перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ).
• EEPROM - электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ. Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. Flash Memory).

Flash Memory - энергонезависимая память с расширенными функциональными возможностями, многократная перезапись осуществляется прямо в устройстве; используется для BIOS и электронных дисков. Кроме основной энергонезависимой памяти имеет оперативно перезаписываемый буфер того же размера для проверки и отладки содержимого. Перезапись из буфера в накопитель осуществляется по специальной команде при наличии дополнительного питания +12 В.

VRAM - двухпортовая память для видеоадаптеров, обеспечивает доступ со стороны шины одновременно с чтением для регенерации изображения. CMOS Memory (Complimetary Metal Oxide Semiconductor) - КМОП-память с минимальным энергопотреблением и невысоким быстродействием, используется с батарейным питанием для хранения параметров системы.

Кэш-память (Cache Memory) - сверхоперативная память, буфер между процессором и ОЗУ. Полностью прозрачен, программно не обнаруживается. Снижает общее количество тактов ожидания процессора при обращении к относительно медленной RAM. Cache Level I (Internal, Integrated) - внутренний кэш процессоров некоторых моделей 386 и 486+. Cache Level 2 (External) - внешний кэш, установленный на системной плате. Использует микросхемы статической памяти SRAM (самые быстродействующие и дорогие) в DIP-корпусах, которые устанавливаются в панельки. Размер внешнего кэша от 64 Кбайт до 2 Мбайт. Кроме собственно банков памяти может устанавливаться дополнительная микросхема памяти (Target Buffer), хранящая текущий список кэшированных блоков.

Модули памяти

SIPP и SIMM - самые первые модули с однобайтной организацией, применялись вплоть до 486-процессоров.

SIPP-модули представляют собой маленькие платы с несколькими напаянными микросхемами DRAM. SIPP является сокращением слов Single Inline Package. SIPP-модули соединяются с системной платой с помощью контактных штырьков. Под контактной колодкой находятся 30 маленьких штырьков (рис.1), которые вставляются в соответствующую панель системной платы. Модули SIPP имели определенные вырезы, которые не позволяли вставить их в разъемы неправильным образом.

Рис.1. Модуль памяти SIPP

Аббревиатура SIMM расшифровывается как Single Inline Memory Module (Модуль памяти с однорядным расположением выводов).

Модули SIMM могут иметь объем 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. Соединение SIMM-модулей с системной платой осуществляется с помощью колодок (рис.2). Модуль вставляется в пластмассовую колодку под углом 70 градусов, а потом зажимается пластмассовым держателем. При этом плата встает вертикально. Специальные вырезы на модуле памяти не позволит поставить их неправильным образом. Модули SIMM для соединения с системной платой имеют не штырьки, а позолоченные полоски (так называемые pin, пины).

Рис.2. Модуль памяти SIMM (30pin)

Рассмотрев такой модуль, можно заметить, что контактные площадки расположены у модуля в обеих сторон, но с обратной стороны модуля за счет внутренней металлизации контактных площадок происходит их дублирование, т.е. все же у модуля одностороннее расположение контактов.

Есть параметр, который характеризует именно модуль. Этот параметр - разрядность модуля, т.е. ширина той шины, по которой происходит доступ к конкретному модулю, или количество контактов, по которым передаются биты данных. (Например, модуль с 30 ножками, естественно, не может обеспечить 32-битный обмен данными - для этого нужно только 32 ножки для передачи данных, а ведь еще питание, адресация и т.д.). Т.е., модули друг от друга в первую очередь отличаются разрядностью. Разрядность модуля SIMM 30 pin составляет 8 бит (на самом деле 9 бит, но последний, девятый бит используется для передачи так называемых данных четности, об этом мы поговорим позднее). Модуль SIMM 30 pin (иногда еще называют: короткий SIMM) использовался в 286, 386 и 486 системах. Рассмотрим применение короткого модуля SIMM на примере 386 системы. Ширина шины, связывающая 386 процессор с памятью, составляет 32 бита. Можно ли в такой системе в качестве оперативной памяти использовать 1 SIMM 30 pin? Представьте себе: процессор использует для связи с памятью шину, в которой данные передаются по 32 проводам. Будет ли система работать, если из этих проводов задействовать только 8? Разумеется, нет! Естественно, что в системе должна использоваться 32-битная память, а иначе процессор не сможет работать с памятью. Но как реализовать 32-битную память, если в Вашем распоряжении только 8-битные модули? Нужно использовать несколько модулей одновременно! Фактически, минимальной единицей оперативной памяти системы можно считать совокупность модулей памяти, полностью "закрывающих" шину память - процессор. В 386 системе при использовании SIMM 30 pin (шириной 8 бит каждый модуль), нужно одновременно использовать кратное четырем количество модулей для того, чтобы обеспечить работоспособность системы. Поэтому на материнских платах тех времен количество разъемов под короткие SIMMы было всегда кратно четырем: 4 или 8 штук. Совокупность разъемов, полностью закрывающих шину память - процессор называется банк памяти. То, о чем мы говорили только что, можно сказать следующим образом: в системе память всегда должна устанавливаться только банками, и хотя бы один банк должен быть установлен.

Рис.3.

Так-же этот модуль имеет так называемый ключ - вырез сбоку со стороны 1-го пина, который служит для правильной ориентации модуля.

SIMM -72-pin - 4-байтные модули, применявшиеся на системных платах для 486 и Pentium

Неудобства использования 30 pin SIMM в системах 386 и 486 вполне очевидны: банк памяти состоит из четырех модулей. Поэтому был разработан новый тип модуля: SIMM 72 pin. Такой модуль, как ясно из названия, так же имел контакты, расположенные с одной стороны модуля (Single Inline) и при этом увеличившееся количество контактных площадок позволило сделать ширину шины модуля 32 бит (на самом деле 36 бит, остальные снова для данных четности). Стало быть, в 486 системах, у которых ширина шины обмена процессор - память составляла 32 бита, банком памяти являлся единственный модуль памяти SIMM 72 pin. Таким образом, в 486 системы можно было устанавливать либо по 4 30pin SIMMa, либо по одному 72 pin SIMM (который иногда называли длинный SIMM).

Этот модуль имеет 2 ключа - аналогичный 30 pin SIMM вырез со стороны 1-го пина, а также вырез посередине между 36-м и 37-м пинами.

DIMM-168 - 8-байтные модули для Pentium и выше. Существует два поколения, существенно различающихся по интерфейсу. Модули DIMM-168-pin Buffered (1-го поколения), как и слоты для них, встречаются редко и с широко распространенными модулями DIMM 2-го поколения не совместимы даже механически (по ключам). Наиболее популярно второе поколение с микросхемами SDRAM. Различают модификации в зависимости от наличия буферов или регистров на управляющих сигналах: Unbuffered, Buffered и Registered.

С выходом процессора Pentium, у которого ширина шины память - процессор увеличивается до 64 бит, снова возникает ситуация, когда банк не равен модулю. В Pentium-системы память при использовании 72pin SIMM снова необходимо устанавливать парами. Для решения этой проблемы, а точнее для применения уже упоминавшейся нами SDRAM, был разработан новый тип модуля: DIMM 168 pin (Dual Inline Memory Module). Как ясно из названия, у этого модуля 168 контактных площадок, расположенных по обеим сторонам модуля, по 84 с каждой стороны. Модуль DIMM 168 pin является 64-битным, и использование единственного модуля DIMM позволяет закрыть шину память - процессор для процессора Pentium, как, впрочем, и для любого современного процессора. Таким образом, в современную систему можно вставлять модули DIMM 168 pin по одному или 72pin SIMM парами. 30 pin SIMM уже весьма давно полностью вышли из употребления, длинные же SIMM сегодня применяются крайне редко. Наиболее часто используемый тип модуля сегодня - модуль DIMM.

Модуль DIMM 168 pin имеет 2 ключа - 2 выреза "внутри гребенки" - между 10 и 11 и между 40 и 41 пинами (поскольку всего на одной стороне 84 пина, положение явно асимметрично и, соответственно, определяет 1-й пин. Эти ключи, кроме того что служат для правильной ориентации модуля, ещё и несут определенную информацию своим расположением - первый ключ различает модули с буферизацией и без неё, второй ключ говорит о напряжении питания модуля.

Что такое буферизованный модуль? Для чего нужна буферизация?

Как нам уже известно, в микросхемах DRAM ячейкой, в которой хранится информация, является конденсатор. Как следствие, одновременно с информационной емкостью модулей памяти растет и емкость электрическая. Тем, кто знаком с теорией электрических цепей, известно также, что постоянная времени (грубо говоря, время зарядки) конденсатора прямо пропорциональна емкости. В результате, по мере роста емкости (уже неважно какой) модулей памяти им требуется все больше времени, чтобы воспринять сигнал от контроллера. Соответственно, если банально наращивать емкость модулей памяти при существующем контроллере, рано или поздно "запаздывание" модуля достигнет такого значения, что нормальная совместная работа двух устройств станет невозможной.

Проблема была осознана примерно к моменту появления 168-контактных DIMM, и при разработке контроллеров для систем с этими модулями было предложено следующее решение - контроллер общается с DRAM не напрямую, а через микросхему, именуемую буфером, которая сама по себе имеет низкую емкость, и, соответственно, способна мгновенно принимать сигнал от контроллера, освобождая системную шину. Дальнейшая зарядка ячеек DRAM идет уже без участия контроллера. Сам по себе буфер представляет собой дополнительную микросхему, размеры которой, в принципе, могут быть разными, но обычно меньше, чем чипы собственно памяти.

Однако прежде, чем 168-контактные DIMM прочно вошли в обиход, произошло еще одно событие - появились и стали легкодоступны микросхемы с рабочим напряжением 3.3В. Все та же теория гласит, что время зарядки конденсатора пропорционально также и напряжению, таким образом, снижение напряжения несколько сняло остроту проблемы.

К моменту массовой разработки контроллеров памяти для DIMM-ориентированных систем индустрия оказалась полностью дезориентированной, в результате, в компьютерах разных производителей могут применяться DIMM практически любой комбинации буферизованность/напряжение. Насколько можно судить, небуферизованные модули не работоспособны в системах, предназначенных для модулей буферизованных, и наоборот (в действительности установить DIMM с "неверной буферизацией" не позволяет наличие ключа). SDRAM DIMM в буферизованном исполнении не встречаются, однако была разработана аналогичная буферу конструкция и для них. Она носит название register, а соответствующие модули - registered.

Теперь немного о маркировке модулей DIMM SDRAM. Здесь все очень просто. Модули DIMM SDRAM маркируются следующим образом: PCxxx, где ххх - частота, на которой сертифицирован работать модуль (возможно что чипы, модуль составляющие, могут работать и на более высоких частотах). Соответственно, существует всего 3 спецификации DIMM SDRAM:

• PC66 - DIMM SDRAM, предназначенный для работы на частоте, не превышающей 66 МГц;
• PC100 - DIMM SDRAM, предназначенный для работы на частоте, не превышающей 100 МГц;
• PC133 - DIMM SDRAM, предназначенный для работы на частоте, не превышающей 133 МГц.

Естественно модули, предназначенные для более высоких частот, могут без проблем применяться и на низших частотах.

Также, в спецификации PC100, фирмой Intel было оговорено обязательное наличие на модулях памяти микросхемы SPD (Serial Presence Detect, выделена на рисунке) - это микросхема энергонезависимой памяти, в которой хранятся характеристики микросхем памяти и инфомация о производителе модуля. Эта информация необходима для правильной конфиурации подсистемы памяти. Однако некоторые модули "безымянных" производителей иногда не снабжались этой микросхемой, что приводило к сбоям в работе с некоторыми материнскими платами.

Нужно очень четко различать и не смешивать типы памяти (DRAM, FPM, EDO, SDRAM etc) и модули памяти (SIMM30, SIMM72, DIMM168).

DIMM-184 - 8-байтные модули DDR SDRAM для системных плат 6-7 поколений процессоров.

RIMM - 2-байтные модули RDRAM для системных плат 6-7 поколений процессоров.

Модули RIMM имеют размеры, сходные с SDRAM DIMMs, но другие пропилы. Модули Rimm поддерживают SPD, которые используются на DIMM"ах. Direct Rambus, в отличие от SDRAM DIMM, может содержать любое целое число чипов RDRAM. Один канал Direct Rambus может поддерживать максимум 32 чипа DRDRAM. Чтобы расширить память сверх 32-х устройств, могут использоваться два чипа повторителя. С одним повторителем канал может поддерживать 64 устройства с 6-ю RIMM модулями, а с двумя - 128 устройств на 12 модулях. На материнской плате может использоваться до трех RIMM-модулей.

SO DIMM и SO RIMM - малогабаритные вариации модулей для блокнотных ПК.

SODIMM (Small Outline DIMM) - это специальные модули для портативных компьютеров, отличающиеся уменьшенным размером.

Хотя в портативных ПК применяются те же микросхемы памяти, что и в настольных, конструкция модулей памяти для ноутбуков отличается (этот тип модулей памяти используется также и в коммуникационном оборудовании, где их габариты важны); во все современные ноутбуки устанавливаются модули формата SODIMM.

• SDRAM SODIMM

Существуют две разновидности модулей SDRAM SODIMM: с 72 и со 144 контактами (обычные модули DIMM имеют 168 контактов), это зависит от соответствующей разрядности - 32 или 64 бита. В настоящее время 72-контактные модули уже не используются. Стандартные размеры 144-контактных модулей 67,6x31,75 мм (2,66x1,25 дюйм), ширина модуля фиксирована, поэтому наиболее важной, как правило, считается вторая цифра - его высота.

• DDR SODIMM (DDR2 SODIMM)

Модули памяти DDR SODIMM имеют 200 контактов (против 184 у обычных DIMM DDR). Примечательно, что хотя в модулях DIMM число контактов увеличилось со 184 (у DDR) до 240 (у DDR2), количество контактов у DDR2 SODIMM-модулей осталось прежним - 200.

Стандартные размеры модуля при переходе от РС133 к DDR сохранились, что не отвечает требованиям изготовителей мини-ноутбуков и других компактных электронных устройств. Поэтому был разработан еще один стандарт, более компактных, чем SODIMM модулей - MicroDIMM. Их ширина и высота чуть меньше, чем у SODIMM, однако число контактов у таких модулей увеличено до 214.

AIIM - 66-контактные 32- или 16-битные модули SDRAM предназначенные для расширения памяти графических адаптеров, встроенных в системную плат.

ОЗУ - это наибольшая часть основной памяти. ОЗУ предназначено для хранения переменной (текущей, быстро изменяющейся) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений. Это означает, что процессор может выбрать (режим считывания ) из ОЗУ команду или данные и после обработки поместить полученный результат (режим записи ) в ОЗУ. Размещение новых данных возможно на тех же местах, где ранее находились исходные данные. Понятно, что прежние данные будут стерты. ОЗУ позволяет кратковременно (до выключения питания) хранить записанную информацию. Данные, адреса и команды, которыми процессор обменивается с памятью, часто называют операндами .

Выполняемая в данный момент компьютером программа (активная) чаще всего располагается в ОЗУ (и лишь иногда в ПЗУ).

Основной составной частью ОЗУ является массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может хранить один бит информации (запоминать два состояния 0 или 1).

Каждый ЭП имеет свой адрес (по-другому можно сказать - порядковый номер). Для обращения к ЭП (с целью записи или считывания информации) его необходимо «выбрать» с помощью кода адреса. Оперативная память является электронной памятью, потому что она создается с помощью микросхем - изделий микроэлектроники.

Микросхемы памяти бывают одноразрядные и многоразрядные.

В одноразрядных микросхемах памяти код адреса (иногда говорят просто - адрес) выбирает один элемент памяти из множества элементов, расположенных в матрице накопителя. После выбора элемента в него можно записать информацию или, наоборот, считать из него один бит информации. Специальный управляющий сигнал Зп/сч (Write/Read) указывает микросхеме, что она должна делать: записывать или считывать информацию. Управляющие сигналы на этот вход поступают от процессора. В одноразрядных микросхемах памяти имеются один вход для записи информации и один выход для ее считывания.

Разрядность кода адреса m в одноразрядных микросхемах памяти определяет информационную емкость, т. е. число ЭП в матрице накопителя. Емкость такой микросхемы рассчитывается по формуле 2 m . Например, если у одноразрядной микросхемы памяти имеется 10 адресных входов, то информационная емкость составит N = 2 10 = 1024 бита.

Некоторые микросхемы памяти имеют многоразрядную структуру, называемую также словарной. У таких микросхем памяти имеется несколько информационных входов и столько же выходов. Поэтому они допускают одновременную запись (или считывание) многоразрядного кода, который принято называть словом . Один адрес позволяет считать информацию сразу из нескольких ЭП. Группа элементов памяти, из которых одновременно считывается информация, называется ячейкой памяти. Таким образом, ячейка памяти - это несколько ЭП, имеющих общий адрес.

На английском языке оперативная память называется R andom A ccess M emory (RAM) - память с произвольным доступом. Термин «произвольный доступ » означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любого (в любой) ЭП. Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой, прежде чем считать нужную информацию, нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

Используется два основных типа оперативной памяти: статическая (SRAM - Static RAM) и динамическая (DRAM - Dynamic RAM).

Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации. Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью цикла (cycle time). Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем меньше эти величины, тем выше быстродействие памяти.

Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).

Длительность цикла определяется минимальным допустимым временем между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах - схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).

Конструктивно микросхема памяти выполняется в виде прямоугольной матрицы , причем ЭП располагаются на пересечении строк и столбцов. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который разбивается на две части. Одна часть адреса используется для выбора строк матрицы накопителя, а вторая - для выбора столбцов.

На рисунке приведена структурная схема микросхемы памяти К561РУ2, у которой 8 адресных входов: a 7 a 6 , …, a 0 . Это позволяет разместить в матрице 2 8 = 256 элементов памяти. Адресные входы разделены на две равные части (матрица квадратная). Младшая часть адреса a 3 a 2 a 1 a 0 позволяет выбрать одну из шестнадцати строк x 0 , x 1 , x 2 , …, x 15 . При помощи старшей части адреса a 7 a 6 a 5 a 4 происходит выбор одного из шестнадцати столбцов y 0 , y 1 , …, y 15 .

Чтобы выбрать какой-то ЭП, нужно активизировать строку и столбец, на пересечении которых располагается нужный ЭП.

Например, чтобы выбрать ЭП 0, нужно на все адресные входы микросхемы подать нули, тогда дешифратор строк DCR (D ec oder R ow) и дешифратор столбцов DCC (D ec oder C olumn) активизируют соответственно строку x 0 и столбец y 0 . На их пересечении располагается ЭП 0, в который, после его выбора, можно записать (или считать) информацию.

Аналогично выбираются другие ЭП. Так, для выбора ЭП 241 нужно активизировать строку x 1 и столбец y 15 . Для этого на младшую группу адресов (a 3 , …, a 0 ) нужно подать двоичный код 0001, а на старшую группу адресов (a 7 , …, a 4 ) - все единицы.

Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую удельную плотность размещения хранящихся данных. В динамической памяти ЭП построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо меньшую площадь, чем триггеры в статических ЭП. Для построения динамического элемента памяти требуется всего 1-2 транзистора.

Регенерация заряда должна происходить достаточно часто. Подтверждением этого являются следующие рассуждения. Так как необходимо получить высокую удельную плотность хранения информации, емкость конденсатора не может быть большой (практически величина емкости запоминающих конденсаторов составляет порядка 0,1 пФ). Постоянная времени разряда определяется как произведение емкости конденсатора на сопротивление закрытого транзистора. Это произведение составляет величину порядка

= RC = 10 10 0,110 -12 = 10 -3 c.

Таким образом, постоянная времени разряда составляет одну миллисекунду и, значит, регенерация заряда должна происходить примерно тысяча раз в секунду.

Необходимость частой подзарядки запоминающих конденсаторов в матрице накопителя приводит к снижению быстродействия динамической памяти. Однако, благодаря малым размерам конденсатора и малому числу дополнительных элементов, удельная плотность хранения информации динамической памяти выше, чем у статической памяти.

Емкость микросхем динамической памяти составляет десятки Мбит на один корпус. Возможность размещения на одном кристалле большого числа ЭП вызывает другую конструкторскую проблему: необходимо использовать большое число адресных входов. Для снижения остроты этой проблемы используют мультиплексирование.

Мультиплексирование - это технический прием временного уплотнения информации, благодаря которому удается по одним и тем же электрическим цепям передать разную информацию для различных приемников (потребителей) информации. Так, конструкторы вдвое уменьшают число адресных входов у микросхем памяти. Адрес делят на две равные части и вводят его в микросхему поочередно: сначала младшую часть, а затем старшую часть адреса. При этом первая часть осуществляет выбор нужной строки в матрице накопителя, а вторая часть активизирует соответствующий столбец.

Для того чтобы микросхема памяти «знала», какая часть адреса вводится в данный момент времени, ввод каждой группы адреса сопровождается соответствующим управляющим сигналом.

Так, синхронно с вводом младшей части адреса на микросхему подается сигнал RAS (R ow A ddress S trobe) - сигнал стробирования (сопровождения) адреса строки. Практически одновременно с вводом старшей части адреса на микросхему памяти подается сигнал CAS (C olumn A ddress S trobe) - стробирование адреса столбца.

После завершения выбора какого-либо ЭП требуется время, в течение которого происходит восстановление микросхемы в исходное состояние. Данная задержка связана с необходимостью перезарядки внутренних цепей микросхемы. Длительность этой задержки существенна и составляет до 90% от времени цикла.

Обходят это нежелательное явление различными конструктивными ухищрениями. Например, при записи нескольких следующих друг за другом операндов, их располагают на одной строке матрицы, но в разных столбцах. Экономия времени достигается тем, что не нужно ожидать завершения переходных процессов при смене адреса строк.

Другой способ повышения быстродействия заключается в том, что память разбивают на блоки (банки), из которых процессор считывает данные попеременно. Таким образом, пока считываются данные из одной области памяти, вторая получает время на завершение переходных процессов.

Разработаны различные модификации статической и динамической памяти.

FPM DRAM (F ast P age M ode DRAM) - динамическая память с быстрым страничным доступом . Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора одной строки матрицы удерживается сигнал выбора строки RAS и производится многократное изменение адресов столбцов (с помощью сигнала CAS). В этом случае не тратится время на завершение переходных процессов при изменении адреса строки. Другими словами, адрес строки остается некоторое время постоянным, а изменяются адреса столбцов. В этом случае страницей называют элементы памяти, расположенные на одной строке матрицы.

EDO (E xtended D ata O ut) - эти микросхемы характеризуются увеличенным временем удержания данных на выходе. Фактически представляют собой обычную память FPM DRAM, на выходе которой установлены регистры - защелки данных. Регистры – это цифровые устройства, построенные на триггерах и позволяющие хранить сразу несколько битов информации (слово). При страничном обмене такие микросхемы удерживают на выходах микросхемы содержимое последней выбранной ячейки памяти, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки памяти. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FРM ускорить процесс считывания последовательно расположенных массивов данных.

SDRAM (S ynchronous DRAM - синхронная динамическая память) - память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной памяти. Основу этого типа памяти составляет традиционная схема DRAM. Однако SDRAM отличается тем, что использует тактовый генератор для синхронизации всех сигналов, применяемых в микросхеме памяти. Помимо синхронного метода доступа, SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать по времени выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке.

Сокращенно оперативную память компьютера называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory - память с произвольным доступом).

Название RAM более точно отражает строение и назначение устройства.

Назначение ОЗУ

• Хранение данных и команд для дальнейшей их передачи процессору для обработки. Информация может поступать из оперативной памяти не сразу на обработку процессору, а в более быструю, чем ОЗУ, кэш-память процессора.
• Хранение результатов вычислений, произведенных процессором.
• Считывание (или запись) содержимого ячеек.

Особенности работы ОЗУ

Оперативная память может сохранять данные лишь при включенном компьютере. Поэтому при его выключении обрабатываемые данные следует сохранять на жестком диске или другом носителе информации. При запуске программ информация поступает в ОЗУ, например, с жесткого диска компьютера. Пока идет работа с программой она присутствует в оперативной памяти (обычно). Как только работа с ней закончена, данные перезаписываются на жесткий диск. Другими словами, потоки информации в оперативной памяти очень динамичны.

ОЗУ представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом . Это означает, что прочитать/записать данные можно из любой ячейки ОЗУ в любой момент времени. Для сравнения, например, магнитная лента является запоминающим устройством с последовательным доступом.

Логическое устройство оперативной памяти

Оперативная память состоит их ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес. Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные адреса. Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах.

Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако многие команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область памяти, состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).

Типы оперативной памяти

Принято выделять два вида оперативной памяти: статическую (SRAM) и динамическую (DRAM). SRAM используется в качестве кэш-памяти процессора, а DRAM - непосредственно в роли оперативной памяти компьютера.

SRAM состоит из триггеров. Триггеры могут находиться лишь в двух состояниях: «включен» или «выключен» (хранение бита). Триггер не хранит заряд, поэтому переключение между состояниями происходит очень быстро. Однако триггеры требуют более сложную технологию производства. Это неминуемо отражается на цене устройства. Во-вторых, триггер, состоящий из группы транзисторов и связей между ними, занимает много места (на микроуровне), в результате SRAM получается достаточно большим устройством.

В DRAM нет триггеров, а бит сохраняется за счет использования одного транзистора и одного конденсатора. Получается дешевле и компактней. Однако конденсаторы хранят заряд, а процесс зарядки-разрядки более длительный, чем переключение триггера. Как следствие, DRAM работает медленнее. Второй минус – это самопроизвольная разрядка конденсаторов. Для поддержания заряда его регенерируют через определенные промежутки времени, на что тратится дополнительное время.

Вид модуля оперативной памяти

Внешне оперативная память персонального компьютера представляет собой модуль из микросхем (8 или 16 штук) на печатной плате. Модуль вставляется в специальный разъем на материнской плате.

По конструкции модули оперативной памяти для персональных компьютеров делят на SIMM (одностороннее расположение выводов) и DIMM (двустороннее расположение выводов) . DIMM обладает большей скоростью передачи данных, чем SIMM. В настоящее время преимущественно выпускаются DIMM-модули.

Основными характеристиками ОЗУ являются информационная емкость и быстродействие. Емкость оперативной памяти на сегодняшний день выражается в гигабайтах.