Аппаратное обеспечение памяти

ign="justify">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.

17  

17  
 

      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.

18  

18  

      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.

19  

19  

      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 определения последовательности  в ПЗУ (serial presence detect — SPD) и устанавливает  частоту периодической подачи  импульсов в соответствии с  полученными данными.

20  

20  

      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 1 Гбайт и больше.  

      Это  означает, что подобные микросхемы  содержат более миллиарда транзисторов!  

      А  ведь Pentium 4 имеет только 55 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.

21  

21  

      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.

22  

22  

      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.

23  

23  

Кэш-память - SRAM 

      Существует  тип памяти, совершенно отличный  от других, - статическая оперативная  память (Static RAM — SRAM).  

Она названа  так потому, что, в отличие от  динамической оперативной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого  не требуется периодической регенерации.  

Но это  не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем DRAM, и может работать на  той же частоте, что и современные  процессоры. 

24  

Время доступа SRAM не более 2 нс; это означает, что  такая память может работать  синхронно с процессорами на  частоте 500 МГц или выше.  

Однако для  хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из шести  транзисторов.  

Использование  транзисторов без каких-либо конденсаторов  означает, что нет необходимости  в регенерации. (Ведь если нет  никаких конденсаторов, то и заряды  не теряются.)  

25  

25  

      Пока  подается питание, SRAM будет помнить  то, что сохранено.  

      Почему  же тогда микросхемы SRAM не используются  для всей системной памяти?  
 

Сравнение  памяти DRAM и SRAM 
 
 
 
 
 
 

По сравнению  с DRAM быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее гораздо ниже, а цена довольно высока.

26  

26  

      Более  низкая плотность означает, что  микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость  намного меньше.  

      Большое  число транзисторов и кластеризованное  их размещение не только увеличивает  габариты микросхем SRAM, но и значительно  повышает стоимость технологического  процесса по сравнению с аналогичными  параметрами для микросхем DRAM.  

      Например, емкость модуля DRAM может равняться 64 Мбайт или больше, в то время  как емкость модуля SRAM приблизительно  того же размера составляет  только 2 Мбайт, причем их стоимость  будет одинаковой.  

      Таким  образом, габариты SRAM в среднем в 30 раз превышают размер DRAM, то  же самое можно сказать и  о стоимости.

      Все  это не позволяет использовать  память типа SRAM в качестве оперативной  памяти в персональных компьютерах.

27  

27  

      Несмотря  на это, разработчики все-таки  применяют память типа SRAM для  повышения эффективности ПК.  

      Но  во избежание значительного повышения  стоимости устанавливается только  небольшой объем высокоскоростной  памяти SRAM, которая используется  в качестве Кэш-памяти.  

      Кэш-память  работает на тактовых частотах, близких или даже равных тактовым  частотам процессора, причем обычно  именно эта память непосредственно  используется процессором при  чтении и записи.  

      Во  время операций чтения данные  в высокоскоростную кэш-память  предварительно записываются из  оперативной памяти с низким  быстродействием, т.е. из DRAM.

28  

28  

      Еще  недавно время доступа DRAM было  не менее 60 нс (что соответствует  тактовой частоте 16 МГц).  

      Для  преобразования времени доступа  из наносекунд в мегагерцы  используется следующая формула: 
 

1/наносекунды  × 1000 = МГц. 
 

      Обратное  вычисление осуществляется с  помощью такой формулы: 

1/МГц ×  1000 = наносекунды.

29  

29  

      Когда  процессор ПК работал на тактовой  частоте 16 МГц и ниже, DRAM могла  быть синхронизирована с системной  платой и процессором, поэтому  кэш был не нужен.  

      Однако, как только тактовая частота  процессора поднялась выше 16 МГц, синхронизировать DRAM с процессором  стало невозможно, и именно тогда  разработчики начали использовать SRAM в персональных компьютерах.  

      Это  произошло в 1986–87 годах, когда появились  компьютеры с процессором 386, работающим  на частотах 16 и 20 МГц.  

      Именно  в этих ПК  впервые нашла  применение так называемая кэш-память, т.е. высокоскоростной буфер, построенный  на микросхемах SRAM, который непосредственно  обменивается данными с процессором.

30  

30  

      Поскольку  быстродействие кэша может быть  сравнимо с быстродействием процессора, контроллер кэша может предугадывать  потребности процессора в данных  и предварительно загружать необходимые  данные в высокоскоростную кэш-память. 

      Тогда  при выдаче процессором адреса  памяти данные могут быть переданы  из высокоскоростного кэша, а  не из оперативной памяти, быстродействие  которой намного ниже. 

      Эффективность  кэш-памяти выражается  коэффициентом  совпадения, или  коэффициентом успеха.  

      Коэффициент  совпадения равен отношению количества  удачных обращений в кэш к  общему количеству обращений.  

      Попадание  — это событие, состоящее в  том, что необходимые процессору  данные предварительно считываются  в кэш из оперативной памяти; иначе говоря, в случае попадания  процессор может считывать данные  из кэш-памяти.

31  

31  

      Неудачным  обращением в кэш считается  такое, при котором контроллер  кэша не предусмотрел потребности  в данных, находящихся по указанному  абсолютному адресу.  

      В  таком случае необходимые данные  не были предварительно считаны  в кэш-память, поэтому процессор  должен отыскать их в более  медленной оперативной памяти, а  не в быстродействующем кэше.