Реферат: Оперативное запоминающее устройство

Микросхемы памяти изготавливают по полупроводниковой технологии на основе кремния с высокой степенью интеграции на кристалле, что определяет их принадлежность к БИС. Для самой общей характеристики БИС памяти принимают в расчёт, прежде всего, их информационную ёмкость, быстродействие, энергопотребление.

Основной составной частью микросхем ОЗУ является массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя (рис.1). Элемент памяти (ЭП) может хранить 1 Бит (0 Бит) информации. Каждый ЭП имеет свой адрес. Для обращения к ЭП необходимо его выбрать с помощью кода адреса. ОЗУ которое допускает обращения по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называется ОЗУ с произвольным доступом. Последовательный доступ предусматривает обращение к отдельным ЭП только в порядке возрастания или убывания их адресов.

Рис.1

Разрядность кода адреса т , равна числу двоичных единиц в нём, определяет информационную ёмкость микросхемы ОЗУ, т. е. число ЭП в матрице накопителя, которое можно адресовать (2^т ). Для ввода и вывода информации служит вход и выход микросхемы. Для управления режимом микросхемы памяти необходим сигнал «Запись /считывание», значение 1 определяет режим записи бита информации в ЭП , а 0 - режим считывания. Такую организацию матрицы накопителя, когда одновременно ведется запись и считывание, называют одноразрядной. Существуют и матрицы с многоразрядной организацией, иначе называемой «словарной». У таких микросхем несколько информационных входов и столько же выходов, и поэтому они допускают одновременную запись (считывание) многоразрядного кода, который принято называть словом.

Оперативная память предназначена для сравнительно кратковременного хранения информации и её принято называть RAM (Random Access Memory).

Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Долгое время подсистема ОЗУ не развивалась: увеличивался объём памяти, в РС и больших ЭВМ пришёл кэш, несколько возросло быстродействие микросхем.

Классификация и основные характеристики ОЗУ.

Кэш-память

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких например, как динамическая память с быстрым микропроцессором. Обычно программа использует память какой либо ограниченной области. Храня нужную информацию в кэш-памяти программа позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

Не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение имеет тот факт, как много информации может содержать кэш-память. Чем больше кэш-память, тем больше информации может быть в ней размещено, а следовательно, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, что самый лучший вариант - это когда объём кэш-памяти соответствует объёму всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится не нужной. Крайне противоположная ситуация - 1 байт кэш-памяти - тоже не имеет практического значения, так как вероятность того, что нужная информация окажется в этом байте, стремится к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти колеблется в пределах 16-512К.

С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Реализация кэш-систем не так проста, как это может показаться с первого взгляда. Микропроцессор должен не только читать из памяти, но и писать в неё. Что случится, если процессор занесёт новую информацию в кэш-память, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти? Для избежания подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш-память. Очевидно, что этот метод снижает быстродействие системы, потому что приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, микропроцессору может понадобиться информация, которую он только что записал и которая ещё не была перезагружена в кэш-память.

Целостность памяти - это одна из самых больших проблем разработчиков кэш-памяти. Все вопросы по преодолению этих проблем были возложены на отдельную микросхему -кэш-контроллер Intel 82385. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

Для этого существует принципиально иной тип оперативной памяти - SRAM, что расшифровывается как Static (Статическая) RAM.

Статическая память (SRAM).

В ней элементарная ячейка представляется не конденсаторами, а статическими триггерами на биполярных или МДП - транзисторах. Число состояний триггера равно двум, что позволяет использовать его для хранения двоичной единицы информации. Получив заряд один раз, ячейка такой памяти способна хранить его сколь угодно долго, по крайней мере до тех пор, пока будет питание. Естественно, что в данном случае исчезают непроизводительные задержки на обновление информации, что приводит к ускорению работы с такими микросхемами. Однако SRAM стоит существенно дороже, чем DRAM. В результате, сфера применения микросхем SRAM ограничена теми областями, для которых требуется небольшой объем памяти, а значительное быстродействие.

Идеальный вариант - кэш - память, где SRAM применялась и применяется поныне. Перед пользователем обычно не встаёт проблема выбора кэш - памяти: в современных материнских платах для Pentium кэш - память обычно просто распаяна на плате. Более того, кэш - память первого уровня давно встраивается в центральный процессор, а в последнее время эта участь постигла и кэш II-го уровня в процессорах линии Pentium II. В ближайшее время то же самое произойдёт и с процессорами для Socket 7 ( стандартный Pentium - разъем): например, ожидаемый вскоре процессор AMD К6 - 3 будет содержать кэш второго уровня. В отличии от Pentium II он поддерживает кэш третьего уровня (на материнской плате).

Однако по большому счёту память современных компьютеров на базе процессора Pentium собирается из таких же чипов, которые использовались в древнем IBM PC AT. Между тем, рост быстродействия центральных процессоров в последнее время привёл к тому, что стало просто невозможно мириться с отсталостью технологий ОЗУ. Поэтому в настоящее время в этом направлении происходят бурные революционные изменения.

Динамическая память (DRAM).

В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти базирующиеся на способности сохранять электрический заряд. Микросхемы динамических ОЗУ отличаются от микросхем статических ОЗУ большей информационной ёмкостью, что обусловлено меньшим числом компонентов в одном элементе памяти и, следовательно, более плотным их размещением в полупроводниковом кристалле.

Глядя на аббревиатуры, относящиеся к оперативной памяти, несложно заметить, что все они состоят из сочетания DRAM: FPM DRAM, EDO DRAM, SDRAM и т.д. RAM (Random Access Memory) переводится с английского как «Запоминающее устройство с произвольным доступом» -

А буква D - сокращение от слова Dynamic, т. е. динамический. Память называется динамической, так как ячейка стандартного ОЗУ представляет собой конденсатор, сформированный внутри полупроводникового кристалла, хранящий электрический заряд. Как известно, конденсаторы могут самопроизвольно разряжаться, что приводит к потере информации. Чтобы этого не происходило, информацию нужно постоянно обновлять. Из-за непрерывной природы этого процесса такая память называется динамической.

В современных персональных компьютерах динамическая память реализуется на базе специальных цепей проводников, заменивших обычные конденсаторы. Большое количество таких цепей объединяются в корпусе одного динамического чипа. Однако подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно освежаться.

Так работают практически все типы микросхем оперативной памяти - от устаревших FPM DRAM до перспективных Rambus DRAM. Все остальные отличия между ними - уже технологические «довески», позволяющие выжать из обычных микросхем дополнительное быстродействие.

Эволюция микросхем памяти.

Эволюция микросхем ОЗУ вплотную связана с эволюцией персональных компьютеров. Для успеха настольных компьютеров требовались миниатюрные чипы ОЗУ. По мере увеличения ёмкости памяти цена скачкообразно возрастала, но потом постоянно уменьшалась по мере отработки технологии и роста объёмов производства.

Первые PC реализовывались на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому биту соответствовал свой собственный адрес. Где-то около года после представления XT появилось ОЗУ с большими возможностями и более эффективное с точки зрения его цены. Хотя новые микросхемы могли вмещать по 64 Кбит, она были дешевле чем 4 по 16 Кбит. Системная плата PC была создана с учётом использования новых микросхем памяти. Через несколько лет 64 К битные чипы стали настолько широко распространены, что стали дешевле чем 16 К битные микросхемы. К 1984 году был сделан ещё один шаг по увеличению объёма памяти в одном корпусе - появились 256 - К битные микросхемы. И RAM чипы этого номинала были установлены на первых AT.

А сегодня микросхемы в 16 Мбит стали обычным явлением. PC имел довольно простую архитектуру памяти, по крайней мере, если на неё смотреть сейчас с высоты последних достижений компьютерной индустрии. Память PC была представлена одним блоком, в котором каждый байт был доступен по указанию его адреса. Микросхемы памяти были разбиты на 9 банков, использующих в ранних PC 16-Кбитные, а затем и 64-Кбитные микросхемы. Восемь микросхем выделяли по одному биту для организации каждого байта памяти, девятая микросхема использовалась в качестве контрольного бита чётности. Когда микропроцессор 80286 стали использовать в AT и их аналогах, возникла проблема с организацией архитектуры памяти. Обычные микросхемы памяти не могли работать в таком быстром темпе, в котором работал микропроцессор. Поэтому пришлось использовать статус ожидания, в случае когда процессор требовал информацию из памяти, то есть микропроцессору приходилось зависать на один-два такта, что давало возможность памяти обработать запрос.

Когда - то всё было просто: частота центральных процессоров не превышала 10 МГц, что позволяло для системы ОЗУ применять микросхемы с временем доступа 100 нс., а то и больше. Кроме того, операционные системы и прикладные программы были нетребовательны к памяти: все они отлично работали с объёмом ОЗУ до 640 Кбайт.

Естественно, что тогда особого внимания объёму память никто не уделял. Даже при работе с оперативной памятью используется обычная системная шина PS - bus или ISA. Проблемы возникли после появления процессоров линии 80386: тактовая частота последних составляла от 16 до 33 (а позднее 40) МГц. Не сложно подсчитать, что при этом длина такта находится в диапазоне от 25 до 60 нс., что существенно меньше, чем у распространённых на тот момент микросхем DRAM. Новые прикладные программы постоянно требовали всё большего объёма ОЗУ, что повышало требования к скорости обмена с памятью. В сложившейся ситуации память стала одним из важнейших факторов, влияющих на повышение быстродействия компьютеров. Путём введения отдельной шины памяти удалось лишь немного увеличить быстродействие, т.к. тактовая частота ISA до сих пор фиксирована на 8 МГц. К тому же отдельная шина была 32-разрядной как новые процессоры. После этого появились сложности с быстродействием самих микросхем. Переход на чисто статическое ОЗУ был не выгоден: цена готового компьютера возросла бы на порядок, а то и более.

Именно тогда в РС стали активно применять кэш-память, сначала одноуровневую, а затем (после появления процессора j486)- двухуровневую. Впрочем, это не могло значительно улучшить ситуацию: нужно было увеличить быстродействие всего объёма оперативной памяти и в то же время сохранить старую элементарную базу. Изменение ситуации коренным образом было невозможно: несмотря на все попытки даже сейчас полный цикл доступа к случайной ячейки ОЗУ составляет не менее 50 нс. Разработчики поставили задачу: ускорить по крайней мере наиболее часто встречающиеся операции. Как показывает практика, чаще всего доступ к ячейкам памяти происходит не случайным образом, а последовательно.

Страничный режим, расслоение банков

Ещё одна разновидность архитектуры оперативной памяти компьютера - это её разбивка на отдельные секции. В современных процессорах, например, такая операция специально оптимизирована: для считывания нескольких подряд идущих слов памяти достаточно передать адрес первого, а не всех требуемых слов. Соответственно уменьшается число передач данных по шине, к тому же, чем больше слов пересылается за один раз (так называемый пакетный режим), тем больше выигрыш. Сделано это в первую очередь для ускорения обменов «память - кэш». Для ускорения работы памяти в пакетном режиме были разработаны различные «хитрые» способы хранения информации: страничный режим, расслоение банков, быстрый страничный режим (FPM) и т. д.

Большая скорость доступа к ограниченным областям памяти является особенностью некоторых специфических микросхем, которые позволяют некоторому объёму, но не всей памяти, быть считанному без цикла ожидания. Этот подход требует специальных RAM микросхем, которые делят свои адреса по страницам. Эта технология получила название режима страничного доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень быстрый доступ в одном из двух направлений их организаций. Если требуется чтение или запись информации, хранящейся на определённой странице памяти, и предыдущая команда по работе с памятью использовала информацию с той же страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны