Оперативна пам’ять персонального комп’ютера
З дисципліни: «Конструкція персонального комп'ютера»
На тему: "Оперативна пам'ять персонального комп'ютера"
Найпростіша схема взаємодії оперативної пам'яті з ЦП
Оперативна пам'ять персональних комп'ютерів сьогодні, як і десять років тому, будується на базі відносно недорогої динамічної пам'яті – DRAM (Dynamic Random Access Memory). Безліч поколінь інтерфейсної логіки змінилося за цей час. Еволюція мала яскраво виражений наступний характер - кожне нове покоління пам'яті практично повністю успадкувало архітектуру попереднього, включаючи, зокрема, і властиві йому обмеження. Ядро ж пам'яті (за винятком удосконалення проектних норм таких, наприклад, як ступінь інтеграції) і не зазнавало жодних принципових змін. Навіть "революційний" Rambus Direct RDRAM нічого справжнього революційного у собі не містить і добре вписується у загальне "генеалогічне" дерево розвитку пам'яті.
Тому, пристрій та принципи функціонування оперативної пам'яті найкраще вивчати від найстаріших моделей пам'яті до найсучасніших розробок.
Пристрій та принципи функціонування оперативної пам'яті
Ядро мікросхеми динамічної пам'яті складається з безлічі осередків, кожна з яких зберігає лише один біт інформації. Фізично комірки об'єднуються в прямокутну матрицю, горизонтальні лінійки якої називаються рядками (ROW), а вертикальні - стовпцями (Column) або сторінками (Page).
Лінійки є звичайними провідниками, на перетині яких знаходиться осередки - нескладний пристрій, що складається з одного транзистора і одного конденсатора.
Конденсатор відводиться рольбезпосереднього зберігача інформації. Обсяг, якого складає - лише один біт. Відсутність заряду на обкладках відповідає логічному нулю, яке наявність - логічної одиниці. Транзистор грає роль " ключа " , що утримує конденсатор від розряду. У спокійному стані транзистор закритий, проте, варто подати на відповідний рядок матриці електричний сигнал, він відкриється, з'єднуючи обкладку конденсатора з відповідним стовпцем.
Чутливий підсилювач (sense amp), підключений до кожного зі стовпців матриці, реагуючи на слабкий потік електронів, що прямують через відкриті транзистори з обкладок конденсаторів, зчитує всю сторінку повністю. Саме сторінка є мінімальною порцією обміну із ядром динамічної пам'яті. Читання/запис окремого осередку неможливо! Дійсно, відкриття одного рядка призводить до відкриття всіх, підключених до неї транзисторів, а отже - розряду закріплених за цими транзисторами конденсаторів.
Читання осередку деструктивно за своєю природою, оскільки sense amp (чутливий підсилювач) розряджає конденсатор у процесі зчитування його заряду. Завдяки цьому динамічна пам'ять є пам'ять разового дії. Для боротьби з втратою пам'яті вдаються до її регенерації - періодичного зчитування осередків з наступним перезаписом. Залежно від конструктивних особливостей регенератор може бути як у контролері, і у самій мікросхемі пам'яті. У сучасних модулях пам'яті регенератор найчастіше вбудовується всередину самої мікросхеми, причому перед регенерацією вміст рядка, що оновлюється, копіюється в спеціальний буфер, що запобігає блокуванню доступу до інформації.
Еволюція динамічної пам'яті
У мікросхемах пам'яті, що випускаються до середини дев'яностих, булиістотні недоліки (великі затримки передачі, малий обсяг пам'яті тощо.). З появою Intel Pentium 60 (1993 рік) та Intel 486DX4 100 (1994 рік) виникла потреба у вдосконаленні динамічної пам'яті.
Зі збільшенням тактової частоти мікропроцесорів, потрібно якісне нове рішення оперативної пам'яті, а не оптимізація FPM DRAM пам'яті. І 1996 року придумали новий інтерфейс оперативної пам'яті - EDO-DRAM. Його основною відмінністю було в тому, що кожну мікросхему оснастили спеціальним тригером-заскочкою, який утримував лінії даних після зникнення сигналу заряджання, що дало можливість дезактивувати сигнал підзарядки до закінчення читання даних, готуючи в цей час мікросхему до прийому номера наступного стовпця.
Модульпам'ятіEDO-DRAMBEDO (Burst EDO) - пакетна EDO RAM
Головною перевагою BEDO пам'яті в порівнянні з EDO RAM було те, що вона працювала на максимально можливій швидкості з частотою 66 МГц, тобто. вона була на
40% швидше за EDO-DRAM! Тим не менш, незважаючи на свої швидкісні показники, BEDO виявилася не конкурентоспроможною і не отримала практично ніякого поширення. Прорахунок полягав у тому, що BEDO, як і її попередники, залишалася асинхронної пам'яттю. Це накладало жорсткі обмеження максимально досяжну тактову частоту, обмежену 60 - 66 (75) мегагерцами.
Поява мікропроцесорів із шинами на 100МГц призвело до радикального перегляду механізму управління пам'яттю, і підштовхнуло конструкторів до створення синхронної динамічної пам'яті – SDRAM (Synchronous-DRAM). Як і з її назви, мікросхеми SDRAM пам'яті працюють синхронно з контролером, що гарантує завершення циклу в строго заданий термін. Крім того, номери рядків та стовпцівподаються одночасно з таким розрахунком, щоб до приходу наступного тактового імпульсу сигнали вже встигли стабілізуватися і були готові до зчитування.
На відміну від FPM-DRAMEDO-DRAMBEDO, що виконують перезаряджання внутрішніх ланцюгів при закритті сторінки синхронна пам'ять робить цю операцію автоматично, дозволяючи тримати сторінки відкритими так довго, скільки це завгодно. Ще одна перевага – розрядність ліній даних збільшилася з 32 до 64 біт, що ще вдвічі збільшило її продуктивність.
Модульпам'ятіSDRAM.DDR SDRAM, SDRAM II (Double Data Rate SDRAM)
Подальший розвиток синхронної пам'яті призвело до появи DDR-SDRAM – Double Data Rate SDRAM (SDRAM подвоєної швидкості передачі). Подвоєння швидкості досягається за рахунок передачі даних і по фронту, і за спадом тактового імпульсу (SDRAM передача даних здійснюється тільки по фронту). Завдяки цьому ефективна частота збільшується вдвічі - 100 МГц DDR-SDRAM за своєю продуктивністю еквівалента 200 МГц SDRAM. Щоправда, з маркетингових міркувань, виробники DDR-мікросхем стали маркувати їх не тактовою /* робочою */ частою, а максимально досяжною пропускною спроможністю, що вимірюється в мегабайтах на секунду.
Зазнала змін та конструкція управління матрицями (банками) пам'яті. По-перше, кількість банків збільшилася з двох до чотирьох, а, по-друге, кожен банк обзавівся персональним контролером (не плутати з контролером пам'яті!), в результаті чого замість однієї мікросхеми ми отримали як би чотири, що працюють незалежно один від одного. Відповідно, максимальна кількість осередків, що обробляються за один такт, зросла з одного до чотирьох.
RDRAM (Rambus DRAM) - Rambus-пам'ять
З DDR-SDRAM жорстоко конкурує DirectRDRAM розроблена компанією Rambus. Має основних відмінностей від пам'яті попередніх поколінь лише три:
а) збільшення тактової частоти за рахунок скорочення розрядності шини,
б) одночасна передача номерів рядка та стовпа осередку,
в) збільшення кількості банків посилення паралелізму.
Підвищення тактової частоти викликає різке посилення різноманітних перешкод і насамперед електромагнітної інтерференції, інтенсивність якої у випадку пропорційна квадрату частоти, але в частотах понад 350 мегагерц взагалі наближається до кубічної. Ця обставина накладає надзвичайно жорсткі обмеження на топологію та якість виготовлення друкованих плат модулів мікросхеми, що значно ускладнює технологію виробництва та собівартість пам'яті. З іншого боку, рівень перешкод можна знизити, якщо скоротити кількість провідників, тобто. зменшити розрядність мікросхеми. Саме таким шляхом компанія Rambus і пішла, компенсувавши збільшення частоти до 400 МГц (з урахуванням технології DDR ефективна частота становить 800 МГц) зменшенням розрядності шини даних до 16 біт (плюс два біти на ECC). Таким чином, Direct RDRAM вчетверо обганяє DDR за частотою, але в стільки ж разів відстає від неї в розрядності.
Таким чином, використання RDRAM у домашніх та офісних комп'ютерах нічим не виправдане. Для високопродуктивних робочих станцій найкращий вибір - DDR-SDRAM, що не поступається RDRAM у продуктивності, але значно виграє в останній у собівартості.