Оперативная память

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM – Random Access Memory – память с произвольной выборкой) представляет собой основную полупроводниковую память, которая используется для хранения переменной информации для микропроцессора и других аппаратных устройств. ОЗУ – рабочая память компьютера, величина которой определяет размер и число одновременно выполняющихся программ. Все данные в ОЗУ теряются при выключении питания ПК, то есть важнейшее свойство оперативной памяти – энергозависимость.

При запуске системы или прикладной программы происходит загрузка данных из постоянной памяти в оперативную. Так как ОЗУ – дорогостоящий вид памяти, вместе с оперативной используется и виртуальная память.

Оперативная память рассматривается [1;75]:

• с точки зрения организации на материнской плате: какие элементы памяти и какой ёмкости необходимы;

• с точки зрения адресации: как оперативная память устроена логически, какую роль играет операционная система.

Наиболее распространенными является память в виде модулей SIMM (Single In-line Memory Module) и DIMM (Dual In-line Memory Module).

Важнейшей характеристикой элементов оперативной памяти является время доступа (access time). Время доступа необходимо для осуществления полного цикла обращения к информации, хранящейся по случайному адресу памяти. Если первые ПК использовали память с временем доступа более 140 нс, то для оптимальной работы на новейших ПК требуется ОЗУ с 45 нс, а при использовании сокращённых циклов обращения - 6-10 нс. Время доступа к памяти и число микросхем обычно маркируется на корпусе модуля. Это позволяет избежать различных проблем с совместимостью [155;27].

В зависимости от конструкции используемой материнской платы применяются различные типы памяти DRAM.

• ЕСС (Error Checking and Correcting) – память с контролем чётности.

• EDO (Extended Data Out) – тип DRAM, который хранит последние запрошенные данные в кэше после того, как они были использованы. EDO RAM применяется с 1995 года вместе с набором микросхем Intel Triton и процессорами Pentium, что позволило тогда увеличить производительность ОЗУ на 20%. Данный тип памяти поддерживает тактовую частоту шины до 83 МГц.

• BEDO (Burst EDO) – это EDO RAM со специальным счётчиком слов. BEDO не получил широкого распространения из-за низкой тактовой частоты – всего до 66 Гц.

• FPM (Fast Page Mode) со временем доступа 60-70 нс применялась в ПК до Pentium 100. FPM DRAM позволяет значительно ускорить доступ к последовательно расположенным ячейкам памяти. Так как в матрице динамической памяти происходит считывание в статический буфер всей строки памяти целиком, а необходимый бит выбирается уже в зависимости от адреса столбца, то, если следующий подлежащий считыванию бит находится в той же строке не требуется переносить его в буфер ещё раз [27;34].

• Enhanced DRAM – также не получил широкого распространения. EDRAM содержит как ячейки обычной DRAM, так и небольшое количество ячеек быстродействующей памяти типа SRAM.

• SDRAM (Synchronous DRAM) – массово выпускаемый тип памяти с тактовой частотой до 100 МГц и выше, временем доступа менее 12 нс.

• DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – новое поколение SDRAM с улучшенными характеристиками.

• Direct Rambus DRAM–новый вид памяти, поддерживаемый компанией Intel.

Общеизвестно, что весь объем оперативной памяти персонального компьютера разделен на несколько банков, причем, вид и тип используемых в них элементов зависят от конструкции системной платы и приводятся в ее техническом описании. Разрядность банка соответствует разрядности шины данных базового микропроцессора. Напомним, что микропроцессор 18088 за один раз может адресовать только 8 разрядов, i80286 – 16, i80386 – 32, Pentium – 64, Таким образом, в компьютерах на базе микропроцессоров 386 и 486 (32-разрядная шина данных) для заполнения банка требуется либо четыре 30-контактных либо один 72-контактный SIMM-модуль. В системах, имеющих в основе микропроцессоры Pentium, Pentium ММХ или Pentium II (64-разрядная шина), необходимо использовать два 72-контактных модуля SIMM или один 168-контактный модуль DIMM [26;24].

Возможная величина оперативной памяти, которую можно установить в ПК, и её вид указаны в паспорте МП. Возможны различные варианты, например, для ПК с четырьмя слотами для SIMM- и двумя слотами для DIMM-модулей (Мбайт).

Таблица 19

История разработки и производства оперативной памяти изобилует столкновениями интересов различных корпораций и групп по стандартизации. Однако, необходимость исследований и определенный прогресс в данной области отрицать невозможно.

С одной стороны, постоянно растет производительность процессоров, с другой – требуется обеспечить поддержку такого роста со стороны оперативной памяти. А это, как показывает история, оказалось сделать гораздо сложнее. На фоне революционных изменений в производстве процессоров эволюция систем оперативной памяти выглядит гораздо скромнее. Изменения коснулись лишь количества ячеек, помещенных на одном кристалле, что давало снижение удельной стоимости хранения данных. А основой оперативной памяти со времен появления первых персональных компьютеров до сих пор является динамическая память с конденсаторами для запоминающих ячеек.

В начале 90-х годов производились асинхронные модули памяти, то есть заканчивающие конкретную операцию за фиксированный промежуток времени. Тогда же специалисты смогли разработать оперативную память, работающую на частоте около 5 МГц.

В оперативной памяти с режимом постраничной адресации FPM, о которой уже упоминалось, тактовая частота была увеличена до 40 МГц. Разработанная следом за ней память EDO стала очередным шагом в повышении производительности компьютерной системы. Обычно EDO-память работала на частоте 66 МГц и имела время цикла обращения (минимальный период, за который можно выполнить циклическое обращение по произвольным адресам) не менее 60 нс, в редких случаях 55 нс. Память EDO не могла работать на частоте выше 83 МГц и возникла потребность в разработке нового вида памяти.

Таким новым видом памяти стала SDRAM. Первые модули SDRAM создавали множество проблем с автоконфигурацией, то есть с опознаванием системой модуля памяти, после чего на модули памяти интегрировали SPD-чип, который позволял считывать всю необходимую информацию.

Дальнейший этап развития технологий оперативной памяти был связан с разработкой корпорацией Intel спецификации PC 100 для модулей памяти корректно работающих с чипсетом Intel 440 ВХ. Для описания быстродействия новой памяти вместо продолжительности цикла доступа стали применять минимально допустимый период тактовой частоты. То есть при маркировке модуля на 10 нс имеют ввиду возможность его работы на частоте 100 МГц. Время доступа для оперативной памяти PC 100 – это время, проходящее с момента обращения к памяти до момента появления данных на системной шине и составляющее приблизительно 50 нс.

Корпорация Intel оказывает значительное влияние на принятие или отклонение тех или иных отраслевых стандартов. Такая ситуация происходит и с системами оперативной памяти. Intel имела возможность выбрать для поддержки три перспективных стандарта: SDRAM PC133 (продолжение линии традиционной SDRAM), новые виды памяти Rambus или DDR.

По ряду причин, о которых можно только догадываться (SDRAM «выдыхается» на частоте 133 МГц, противоречие SDRAM с высокими требованиями другого детища Intel AGP 4x, внутренние обязательства перед Rambus или что-либо другое), Intel опрометчиво выбирает поддержку Rambus. При разработке нового чипсета 1820, поддерживающего модули памяти RIMM, возникают задержки и альтернативные разработчики получают шанс предложить свои варианты и модификации оперативной памяти.

7 июня 1999 г. ряд крупных компьютерных фирм, среди которых: VIA Technologies, IBM Microelectronics, Micron Semiconductor Products, NEC Electronics, Samsung Semiconductor, – продолжили спецификацию PC 133 SDRAM DIMM Specification (Revision 0.4).

Возникает примечательная возможность применения оперативной памяти на частоте 133 МГц, а системной шины – на любой другой. Эту возможность и использовала компания VIA, выпустив чипсет VIA Apollo Pro 133. Максимальная пропускная способность PC 133 SDRAM равна 1 Гбайт/с, а это соответствует пропускной способности AGP 4х. Это дает памяти PC 133 существенное преимущество над PC 100, так как пропускная способность последней не превышает 800 Мбайт/с, с PC 133 можно полноценно использовать все преимущества технологии AGP 4х.

Однако память Rambus имеет, несомненно, более лучшие характеристики. Она упакована в модуль RIMM Direct Rambus, не совместимый по контактам с модулем DIMM, имеет тактовую частоту 400 МГц, частоту передачи данных 800 МГц, скорость передачи данных: 1,6 Гбайт/с.

DDR DRAM представляет собой, в отличие от Direct RDRAM, эволюционный тип развития оперативной памяти. В отличие от SDRAM:

• в DDR используется современный механизм синхронизации;

• DDR использует цикл с фиксированной задержкой (delay-locked loop) для выдачи сигнала, означающего доступность данных на выходных контактах; используя такой сигнал, контроллер может осуществлять доступ к данным гораздо быстрее;

• имеется возможность передачи данные на обеих границах сигнала тактовой частоты, что вдвое увеличивает пиковую пропускную способность.

Таким образом, при выпуске микросхем с базовой тактовой частотой 133 МГц, можно получить на выходе чип DDR 266 с пиковой пропускной частотой 2,1 Гбайт/с. Сравнение возможностей DDR 266 и 800 МГц Direct RDRAM по данным Hyundai Electronics приводится в табл. 20.

Таблица 20

Сравнение возможностей DDR 266 и 800 МГц Direct RDRAM

Источник: Hyundai Electronics

Плюсом перехода на DDR-память являются сравнительно небольшие капитальные вложения предприятий-производителей, а следовательно, и низкая себестоимость изготовления. Кроме того, разрабатывается новый тип DDR II с пиковой пропускной способностью 3 Гбайт/с – это означает перспективность нового стандарта.

Минусом можно считать несовпадение разъемов у модулей DIMM (164 контакта) и DDR (184 контакта). Для перехода на материнской плате придется использовать и те и другие разъемы.

Итоговое сравнение новых типов памяти приводится в табл. 21.

Таблица 21

Сравнение SDRAM, DDR и Direct RDRAM

Источник: Hyundai Electronics

Наиболее известные фирмы-производители микросхем и модулей оперативной памяти – Advantage, Fujitsu, Hitachi, Hyundai, Kingston, LGS, Micron, Mitsubishi, Motorola, NEC, Oki, Panasonic, Samsung, Siemens, Texas Instruments, Toshiba.