Элементы памяти

В этой главе основное внимание уделено элементам оперативной памяти. (рис. 3.1), характеристики которых определяют быстродействие всей системы. Без этих элементов работа РС просто невозможна. Конструктивно они выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить (скорее всего, увеличить) объем оперативной памяти РС.

Рис. 3.1. Элементы памяти РС

Оперативная память представляет, собой самую быструю запоминающую среду, компьютера. Чтобы CPU мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную рабочую память, т. е. в память, доступную для программ пользователя. К данным, находящимся в оперативной памяти (Random Access Memory, RAM- Память с произвольным доступом), CPU имеет непосредственный доступ, а к периферийной, или внешней памяти (гибким и жестким дискам) - через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программа будет загружена в ВАМ с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая ее работа.

Время доступа к данным, находящимся в RAM, мало, поэтому скорость их обработки велика. Если бы информация считывалась/записывалась только с внешних носителей, то можно было выпить не одну чашку кофе в ожидании завершения выполнения той или иной операции.

Основная задача RАМ - предоставлять по требованию CPU необходимую информацию. Это означает, что данные в любой момент должны быть доступны для обработки.

Временный характер запоминания данных в оперативной памяти определяется не только наличием питания. Дело в том, что оперативная память относится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неизменным в течение очень короткого промежутка времени, поэтому память должна периодически обновляться.

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая 1, если разряжен -логический О. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неограниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Чтобы пояснить этот процесс, представим элемент памяти как ведро с водой, которое может быть либо пустым (состояние 0, соответственно Out), либо полным (состояние 1, соответственно In). Однако в этом ведре имеются такие маленькие дырки, что вода (информация) вытекала бы по капле, если бы "водоносу" (специальной логической схеме) не было поручено компенсировать убыток воды (данных) так, чтобы уровень ее оставался неизменным. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh). Деятельность "водоноса" имеет огромное значение, поэтому ему нельзя мешать. Это означает, что СРU имеет доступ к данным, находящимся в RAM, только в течение циклов, свободных от регенерации.

Регенерация памяти происходит при выполнении каждой операции чтения или записи. Однако нет гарантии, что при выполнении любой программы произойдет обращение ко всем ячейкам памяти, поэтому имеется специальная схема, которая. через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) будет осуществлять доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты СРГ находится в состоянии ожидания. За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти.

Принцип работы

Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из строк и столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента - адрес строки (row address) и адрес столбца (column address). На рис. 3.2 представлена матрица, состоящая из 32 строк и 32 столбцов, то есть из 1024 ячеек.

Рис. 3.2. Структурная схема динамической памяти

Когда СРU (или устройство, использующее канал DМА) обращается к памяти для чтения информации, на входы микросхемы поступает строб вывода данных ОЕ (Output Enabled), затем подается адрес строки и одновременно с ним (или с задержкой) сигнал RAS (Row Address Strobe). Это означает, что каждая шина столбца соединяется с ячейкой памяти выбранной строки. Адрес ячейки поступает по адресным линиям (в нашем случае их десять) н дешифратор, который преобразует поступивший набор нулей и единиц номер строки. Емкость конденсатора очень мала (доли пикофарады) и его заряд тоже мал, поэтому используется усилитель, подключенный к каждой шине столбца динамической памяти. Информация считывается со всей строки запоминающих элементов одновременно и помещается в буфер ввода/вывода.

С незначительной задержкой после сигнала RAS на входы динамической памяти подается адрес столбца и сигнал CAS (Column Address Strobe). При чтении данные выбираются из буфера ввода/вывода и поступают на выход динамической памяти в соответствии с адресом столбца.

При считывании информации из ячеек памяти происходит ее разрушение, поэтому производится перезапись считанной информации: выходы регистра строки снова соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы перезаписать считанную информацию из строки. Если ячейка имела заряд, то она снова будет заряжена еще до завершения цикла чтения. На ячейки, которые не имели заряда, напряжение не подается.

Если выполняется запись в память, то подается строб записи WE(Write Enabled) и информация поступает на соответствующую шину столбца не из буфера, а с входа памяти в соответствии с адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи задается комбинацией сигналов, определяющих адрес столбца и строки, а также сигналом разрешения записи данных в память.

Основные характеристики элементов памяти

• Тип
• Емкость
• Разрядность
• Быстродействие
• Временная диаграмма

Емкость и разрядность

На рис. 3.2 представлена структура микросхемы памяти, имеющая одну линию ввода/вывода. Из такой микросхемы СРU может одновременно считать (записать) только один бит данных. Для повышения скорости обмена данными между СРU и памятью были разработаны микросхемы, имеющие 4, 8 и 16 линий ввода/вывода. Подобные микросхемы имеют соответственно 4, 8 или 16 одинаковых матриц ячеек памяти. Таким образом, при поступлении на входы микросхемы адреса ячейки производится одновременное чтение

(запись) всех ячеек, находящихся по данному адресу, но в различных матрицах (рис. 3.3). В этом случае одновременно считывается, записывается сразу несколько бит информации. Например, если микросхема имеет 8 линий ввода/вывода (соответственно 8 матриц), то СPU может считывать (записывать) информацию побайтно.

Количество линий ввода/вывода определяет разрядность шины ввода/вывода микросхемы.

Количество, бит информации, 'которое хранится в ячейках каждой матрицы, называется глубиной адресного пространства (address depth) микросхемы памяти.

Таким образом, общая емкость микросхемы памяти определяется произведением глубины адресного пространства на количество линий ввода/вывода (разрядов). Например, емкость микросхемы памяти, имеющей глубину адресного пространства 1 Мб и 4 линии ввода/вывода (четырехразрядную шину ввода/вывода), составляет 1 Мб х 4 = 4 Мб. Такая микросхема обозначается 1х4, 1Мх4, хх4400 либо хх4401.

Таблица 3.1. Основные характеристики микросхем памяти и области их применения

Быстродействие

Производительность микросхемы динамической памяти характеризуется временем выполнения элементарных действий между двумя операциями

чтения либо записи данных. Последовательность этих операций называют рабочим циклом (или циклом обращения). Он включает указание адреса данных (RAS, выбор строки, САS, выбор столбца), чтение (запись).

Время, необходимое для чтения (записи) данных, хранящихся по случайному адресу, называется временем доступа (Access time). Для современных микросхем оно составляет 40 - 60 нс, что соответствует частоте появления данных 16,7 - 25 МГц на выходе микросхемы.

По мере усовершенствования микросхем DRAM (EDO DRАМ, BEDО,DRАМ, SDRАМ) длительность рабочего цикла стала показателем их быстродействия. Поскольку архитектура микросхем динамической памяти не изменилась, время выполнения действий между. двумя произвольными операциями чтения или записи (время доступа) одинаково (табл. 3.2). Однако если первый цикл обращения к DRAM длится 50, 60 или 70 яс, то последую-

Таблица 3.2. Основные характеристики DRАМ

Время доступа для внешних носителей данных (таких как гибкий или жесткий диск) составляет миллисекунды, а для элементов памяти - наносекунды.

Вообще говоря, на материнскую плату можно устанавливать элементы памяти различных фирм, причем эти 'элементы могут иметь разное время доступа Тем не менее, следует избегать смешения неоднородных элементов памяти. Время доступа не должно различаться более, чем на 10 не. В противном случае могут возникнуть серьезные проблемы. Опыт подсказывает, что в одном банке лучше использовать элементы памяти одной фирмы - производителя.

Временная диаграмма

Между СРU и элементами памяти не должно быть временного рассогласования, обусловленного различным быстродействием этих компонентов. Однако, даже современные асинхронные микросхемы EDO DRAM имеющие время рабочего цикла 20 нс, не могут работать с частотой более 50 МГц, поэтому CPU вынужден простаивать.

Временная диаграмма показывает зависимость тактовой частоты системной шины от типа памяти. Она характеризует количество тактов, которые необходимы СРU для выполнения четырех последовательных операций считывания данных. Например, если имеется 8-разрядная микросхема памяти типа ЕDО, то диаграмма 5-2-2-2 означает, что для считывания первого байта необходимо пять тактов СРU, а для считывания трех последующих байтов два такта.

Таблица 3.3. Временные диаграммы памяти различных типов

Забегая немного вперед, отметим, что обмен данными между CPU и RАМ осуществляется по 32- (для CPU 80486) или 64-разрядной (для Реntium) системной шине, а микросхемы памяти организованы в 32- или 64-разрядные модули памяти, поэтому обмен данными осуществляется путем передачи удвоенных или учетверенных слов. Именно в связи с этим в РС на базе СРU 80486 или Pentium должны устанавливаться элементы памяти, обеспечивающие время доступа менее 60 нс.

Использование медленных элементов может привести к зависанию системы. Для согласования скорости работы процессора и памяти необходимо установить соответствующие параметры в SMOS Setup (см. главу 16).

Организация микросхем памяти

Каким образом 4-разрядная микросхема памяти может работать с 32-разрядной системной шиной CPU 80486 или 64-разрядной шиной СРU Pentium ? Дело в том, что СРU взаимодействует через контроллер памяти не с одной, а в данном случае сразу с восемью микросхемами памяти, организованными в банки памяти.

Количество микросхем памяти в одном банке определяется соотношением разрядности системной шины и разрядности микросхемы памяти. На рис. 3.4 в качестве примера показана 16-разрядная шина памяти и подключенные к ней четыре 4-разрядные микросхемы памяти

Контроллер памяти (Memory controller)является промежуточным устройством между системной шиной и модулями памяти. Он определяет тип установленных элементов памяти, организует обмен данными между СРU и RАМ и задает различные режимы работы памяти. В современных Chipset контроллер интегрирован в одной из двух микросхем.

D настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются на специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти SIMM-модули и DIММ-модули). Разрядность модулей памяти определяется разрядностью микросхем памяти, установленных на плате. 30-контактные SIMM –модули – 8 разрядные, 72 контактные SIMM-модули – 32 разрядные , а DIММ-модули - 64-разрядные.

Для модулей памяти, как ранее и для микросхем памяти, действует правило о необходимости полного заполнения банков памяти.

Количество модулей памяти, необходимых для заполнения банков, определяется отношением разрядности системной шины к разрядности модуля памяти. Например компьютеры на базе процессора 80386 имели 16-разрядную системную шину, поэтому банки заполнялись двумя 8-разрядными SIММ - модулями (см. рис. 3.4). Поскольку РС с СР11 80486 имеют 32-разрядную системную шину, достаточно одного 32-разрядного SIMM-модуля памяти.

Системная шина РС с СРU Pentium и Pentium II 64-разрядная, поэтому 32-разрядные SIMM-модули устанавливаются в банки только попарно, либо необходим один DIMM-модуль.

Повышение скорости обмена данными

• Пакетный режим
• Чередование памяти
• Разбиение памяти на страницы
• Кэширование памяти

Пакетный режим

Как уже отмечалось, СРU запрашивает данные из памяти не побайтно, а в виде пакетов, состоящих из 32 или 64 бит. Такой порядок обмена данными с памятью был впервые реализован на РС с СРU 80486 и назван пакетным режимом (Burst Mode).

В этом режиме, кроме одного слова СР11 считывает еще три, расположенные рядом.

Чередование памяти

Метод управления памятью с чередованием адресов (Interleaving mode), основан на том, что логически связанные байты чаще всего располагаются в памяти друг за другом. Как уже отмечалось, в микросхеме памяти осуществляется периодическая регенерация данных, в процессе которой микросхема не доступна для записи и чтения. Чтобы не было пауз в работе памяти, осуществляется ее чередование, т. е. помещение следующих друг за другом ячеек памяти в различные банки, из которых СРU должен считывать данные по-переменно. Пока в одном из, чипов памти происходит регенерация данных, СРU может считывать следующий байт из другого банка.

Организацию и управление чередованием памяти осуществляет контроллер памяти, который логически объединяет два банка в один и распределяет адресное пространство так, чтобы соседние адреса находились в разных банках.

При использовании SIММ-модулей чередование памяти возможно лишь в том случае, когда в различные банки установлены SIMM-модули одинаковой емкости. В микросхемах SDRAМ этот режим реализуется аппаратно не контроллером памяти, а на уровне микросхемы.

Примечание

Более подробную информацию о возможностях использования режима Interleave можно найти в описании конкретной материнской платы.

разбиение памяти на страницы

Метод разбиения памяти на страницы (Pacing mode) основан на том факту (уже упоминавшемся при описании чередования памяти), что каждый поступающий в СРU байт расположен рядом с байтом, уже считанным из памяти и логически связанным с ним. Следовательно, не нужно повторят сигнал RAS, если адреса строк выбираемых ячеек памяти находятся в предел одной страницы, т. е. адрес строки неизменен.

Обычно память делится на страницы размером 512 байт и более.

Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным, находящимся в RАМ. Это достигается за счет применения промежуточной (буферной между СРU и RAМ) быстродействующей памяти небольшой емкости (256 Кб - 2 Мб). Эта кэш-память работает на частоте СРU, поэтому при обращении к ней не требуются циклы ожидания.

Микросхемы памяти

Тип корпуса

Первые микросхемы памяти выпускались в так называемых DIР-корпусах. (Dual In-Line Package - Корпус с двухрядным расположением выводов). У таких микросхем выводы (Pins) расположены по бокам корпуса (рис. 3.5). Сам кристалл, на котором размещены ячейки памяти, значительно меньше по размеру, чем корпус. Такая конструкция корпуса удобна для печатного монтажа и установки микросхемы в панельки на материнской плате, а также для соблюдения температурного режима работы элементов.

В настоящее время на модули памяти устанавливаются микросхемы в корпусе SOJ (Small Outline J-shaped) и TSOP (Thin Small Outline Package).

Рис. 3.5. Корпуса типа DIP, SOJ и TSOP

Корпус TSOP плоский и имеет горизонтально расположенные выводы, пригодные только для пайки. Такие микросхемы устанавливаются на DIMM-модули с питанием 3,3 В.

DRAM

Буква "D" в аббревиатуре "DRAM" означает "динамическая", т. е. для сохранения данных, записанных в микросхеме памяти, необходима их периодическая регенерация. Все микросхемы DRAM имеют матричную организацию, причем каждый элемент матрицы (миниатюрный конденсатор) хранит один бит данных и адресуется с помощью следующих сигналов: RAS, адрес строки, CAS и адрес столбца.

= 4 194 304 бит, л/4 194 304 = 2048 бит). Однако с целью повышения быстродействия были разработаны микросхемы с "неквадратной" матрицей, имеющие 1 Кбит строк и соответственно столбцов, что позволило сократить время регенерации.

В процессе совершенствования технологии изготовления DRAM были разработаны другие типы памяти: РМ, FPM, EDO и SDRAM.

FPM DRAM

В микросхемах FPM DRAM сигнал CAS используется не только для адресации столбца, но и для указания "срока годности" адреса, т. е. времени, в течение которого будет выполняться считывание данных (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Структура микросхемы FPM DRAM

Временная диаграмма работы FPM DRAM представлена на рис. 3.7.

EDO DRAM

Структурная схема EDO DRAM похожа на схему FPM DRAM. Отличие состоит в том, что для FPM DRAM линии ввода/вывода данных отключались

Рис. 3.7. Временная диаграмма "классической" DRAM, FPM DRAM и EDO DRAM

от системной шины, как только начиналось задание адреса следующего бита, а в режиме EDO (Extended Data Out) линии остаются подключенными до окончания ввода нового адреса и, соответственно, начала вывода следующего бита. Вместо сигнала CAS для указания конца операции чтения используется сигнал ОЕ (Output Enable). Таким образом, память EDO позволя-

ет одновременно считывать данные и задавать адрес следующих данных, что, в свою очередь, сокращает длительность рабочего цикла (см. рис. 3.7).

Модули памяти EDО работают на 10 - 15% быстрее, чем FPM DRAM. Они работают без задержки с системными шинами, работающими на тактовой частоте 50 МГц (1: 20 нс = 50 МГц). Тем не менее, преимущество EDО перед FРМ проявляется лишь при чтении данных - одновременное выполнение операций записи и адресации невозможно.

Микросхемы BEDO DRAM (Burst EDO) - это разновидность EDO DRAM. В отличие от EDО в микросхему BEDО добавлен специальный генератор номера столбца. После первого поступления на вход микросхемы адреса ячейки и сигналов, RAS и CAS, для последующих четырех столбцов сигнал САS генерируется внутри микросхемы.

Это приводит к тому, что если при тактовой частоте системной шины 66 МГц временная диаграмма для FРМ составляет 6-3-3-3, для EDО - 5-2-2-2, то для ВЕDО - 4-1-1-1. Как видно, временная диаграмма ВЕDО сопоставима с диаграммой SDRАМ, но ВЕDO не может работать на тактовой частоте 100 МГц. Кроме того, в то время когда появились микросхемы ВЕDО DRАМ корпорация Intel усиленно продвигала на рынок SDRАМ.

В РС СРU 80486 память типа ЕDО и ВЕDО, как правило, не поддерживается.

Микросхемы СDRАМ (Cache DRAM) и EDRAМ (Enhanced DRAМ) содержат немного ячеек быстрой памяти SRАМ, имеющих время доступа 10 - 15 нс. Например, на одном кристалле могут находиться 4 Мб DRАМ и 16 Кб SRАМ. Интегрированные элементы SRАМ в данном случае можно рассматривать как встроенную кэш-память.

SDRAM

До 1997 г. производились только асинхронные микросхемы SDRАМ, т. е. такие, работа которых не синхронизирована с частотой работы системной шины.

Примечание

Асинхронные элементы имеют только информационные входы и срабатывают непосредственно после изменения сигнала на входах. Сигнал на выходе появляется через некоторое время. Оно не регламентируется и может изменяться в зависимости от температуры и от старения полупроводниковых элементов. Основным недостатком асинхронных элементов является их низкая помехоустойчивость, проявляющаяся в сбоях при работе РС.

Для срабатывания синхронных элементов смены сигналов на входах недостаточно. Необходим дополнительный тактирующий сигнал, который подается на соответствующий вход. В качестве такого сигнала выбран тактовый сигнал системной шины. Этот сигнал задается частоту смены информации в определенные моменты времени. В эти же моменты обновляется информация на выходах элементов. Таким образом, процессы записи и считывания информации в память строго привязаны к тактам СРU или шины.

В 1997 г. использовалась микросхема синхронной динамической памяти SDRAM (Synchronous DRАМ) для синхронизации работы памяти и системной шины. Метод доступа к строкам и столбцам данных в микросхемах SDRAM и стандартной DRАМ реализован одинаково. Отличие заключается в следующем: все операции в микросхемах SDRAM синхронизированы с тактовой частотой СРU, т. е. память и СРU работают синхронно без циклов ожидания.

Первоначально SDRАМ была предложена в качестве более дешевой по стоимости альтернативы дорогой видеопамяти VRAM (Video RAM), используемой в видеоадаптерах.

За счет исключения циклов ожидания сократилось время выполнения команд и передачи данных. Современные микросхемы SDRAM могут работать на

Кроме того, для сокращения времени выборки данных в микросхеме SDRAM предусмотрено чередование адресов, а также пакетный режим; используется трехступенчатая конвейерная адресация, которая позволяет осуществить доступ к запрошенным данным до, завершения обработки предыдущих.

Все это позволило сократить время рабочего цикла микросхемы до 8 - 10 нс (1: 10 яс = 100 МГц) и повысить скорость передачи данных до 800 Мб/с при тактовой частоте системной шины 100 МГц.

Модули памяти, на которых установлены микросхемы SDRAM, поддерживают все материнские платы, оборудованные Chipset, начиная с Intel 82430 VX/HX.

РС100 SDRАМ

При тактовой частоте системной шины 100 МГц многие микросхемы SDRAM работали неустойчиво, поэтому для такой системной шины корпорация Intel разработала спецификацию микросхем памяти, получившую название РС100.

Микросхемы памяти РС100 SDRAM выпускаются в корпусе ТSОР, а количество выводов зависит от глубины адресного пространства микросхемы.

ESDRAM

частоте системной шины 66, 100 и 166 МГц. Время рабочего цикла сократилось до 8 яс. Микросхемы полностью совместимы с РС100 SDRAM.

SDRAM II или (DDR SDRAM) (Double Date Rate- Удвоенная скорость передачи данных) является следующим поколением SDRAM. В отличие от SDRAM память этого типа имеет ряд усовершенствований, позволяющих повысить ее быстродействие в 2 раза.

При использовании технологии DDR можно читать данные по фронту и спаду тактового сигнала системной шины, что дает возможность выполнять два обращения к памяти за время одного цикла к стандартной SDRAM.

За последние 10 лет производительность CPU увеличилась в 100 раз, в то время как пропускная способность элементов памяти - лишь 16 в 10 - 12 раз (рис. 3.9).

Под пропускной способностью памяти понимают объем информации (в мегабайтах), пересылаемых по системной шине за 1 с между CPU и банком DRАМ.

за 1 с между CPU и выводом DRAМ. Измеряется в Мбит/с/контакт ( Mbit / sec /pin).

Таким образом, элементы памяти стали тормозить работу системы в целом. Современный CPU с его высокой тактовой частотой, предвыборкой данных, конвейерной архитектурой и другими техническими достижениями, вынужден простаивать, ожидая готовности памяти. При работе в многозадачных операционных системах и обработке больших массивов данных не помогает даже увеличение объема кэш-памяти. Кроме того, многие современные устройства общаются с RAM напрямую, минуя CPU (например, карты AGP, НDD в режиме Bus Mastering).

Специалисты корпорации Intel считают, что для обработки видео изображений в реальном масштабе времени при работе с 3Р-изображениями и использовании DVD пропускной способности модулей памяти на элементах SDRAM (800 Мб/с) явно недостаточно.

Однако увеличение разрядности системной шины сопряжено с техническими сложностями, обусловленными значительным увеличением количества выводов микросхемы контроллера памяти (до 200 - 300) и, соответственно,

Просто повысить тактовую частоту системной шины также невозможно, т. к. при существующей технологии считывания информации из ячейки памяти длительность цикла обращения составляет порядка 10 яс.

Поэтому был найден альтернативный вариант (рис. 3.10) - 16-разрядная системная шина памяти с тактовой частотой 400 МГц, а также были усовершенствованы микросхемы ЭRAM, которые (сохранив без изменения ядро) стали напоминать сложное конвейерное микропроцессорное устройство с собственной скоростной шиной.

Рис. 3.10. Шина памяти 64-разрядная (слева) и 16-раарядная (справа)

В настоящее время известна память двух конкурирующих между собой типов - Direct RDRAM и SLDRAM.

Небольшая американская фирма Rambus начала разработку нового типа памяти в 1992 г. Уже спустя 3 года она анонсировала принципиально новую технологию - Rambus. Новая технология подразумевала наличие усовершенствованных микросхем памяти Ваsе RDRAM и так называемого Rambus- канала, включающего высокоскоростную 8-разрядную шину (700 МГц) и специальный контроллер памяти. Пропускная способность памяти составила 600 Мб/с, что превосходит аналогичный показатель некоторых современных модулей памяти.

В 1995 г. фирма заключила соглашение с корпорацией Intel, которая поддержала перспективные разработки фирмы Rambus, и приступила к разработке и выпуску Chipset, поддерживающих технологию Rambus.

Примечание

Следует отметить, что микросхемы Ваsе RDRАМ и Соncurent RDRАМ (1997 г.)

были разработаны не как элементы RАМ для РС, а как память для игровых приставок и графических адаптеров.

Корпорация Intel планирует к 2000 г. полностью перейти на производство микросхем памяти типа Direct DRАМ и отказаться от SDRAM (рис. 3.11).

Передача адреса ячейки происходит (из-за высокой тактовой частоты) по отдельным шинам: одна - для адреса строки, другая - для адреса столбца.

В процессе работы Direct RDRAM выполняется конвейерная выборка из памяти, причем адрес может передаваться одновременно с данными. Микросхемы Direct RDRAМ имеют емкость 16, 32, 64, 128 и -256 Мб. Планируется наладить выпуск микросхем емкостью 512 Мб и 1 Гб.

Как заявляют специалисты фирмы Rambus, эта технология также применима и к другим типам памяти (SDRAM, EEPROM, RОМ Flash и др.).

Недостатком стандарта Rambus DRAM является то, что он закрытый.

SLDRАМ

В январе 1997 г. несколько фирм объединились, чтобы создать более дешевую, чем Direct SDRAM, быстродействующую память, ориентированную в первую очередь на установку в РС стоимостью до 1000 1380. Новый тип памяти получил название SLDRAM (Sync Link DRAM). Стандарт SLDRAM изначально планировался как открытый, что по замыслу членов консорциума SLDRAM INC. могло способствовать его, быстрому развитию и обеспечить долгую "жизнь".

Помимо изготовителей DRAM, новый стандарт был поддержан и их клиентами - Аррlе, Hewlett-Packard, IВМ и др.

В табл. 3.4 перечислены фирмы-сторонники архитектур Rambus и SLDRAM, наиболее известные в России.

Таблица 3.4. Фирмы, поддерживающие Rambus и SLDRAM

По заявлению разработчиков микросхемы типа SLDRAM совместимы с предыдущими элементами DRAM.

В первом поколении SLDRAM (как и в Direct RDRAM), используется 16-разрядная шина данных, работающая на тактовой частоте 400 МГц. Подобно DDR SDRAM и RDRAM, передача данных осуществляется по восходящему и нисходящему уровням сигнала. Таким образом, пропускная способность SLDRAM составляет 16 бит х 400 МГц х 2 = 1,6 ГГц/с. В дальнейшем разработчики планируют увеличить пропускную способность SLDRAM за счет повышения тактовой частоты системной шины (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Планы консорциума SLDRAM

Какая из двух технологий - Direct или SLDRAM - возьмет верх, покажет время, а пока производители микросхем памяти еще не пришли к однозначному решению. Несмотря на то, что корпорация Intel упорно продвигает технологию Rambus, производители DDR DRAM и SLDRAM продолжают бороться за свое существование и лидерство в области производства недорогих РС. Sumsung semiconductor и Hitachi Semiconductor начали производить DDR DRAM. Они также готовы к выпуску Direct RAmbus, а Siemens и Micron - к выпуску SLDRAM. Компании MICRON и VIA Technologies разрабатывают чипсеты, способные поддерживать RDRAM, SLDRAM, DDR DRAM.

Таблица 3.5 Некоторые характеристики различных типов памяти

Рис. 3.14. Расшифровка маркировки эллементов памяти фирм LG & Vitalic

Маркировка элементов памяти

К сожалению, маркировка, наносимая на микросхему различными производителями, не стандартизована. Как правило, без труда удается определить по аббревиатуре или логотипу производителя микросхемы, а также время доступа по последним цифрам маркировки. На рис. 3.14 представлена расшифровка маркировок микросхем фирм LG и Vitelic

Таблица З.б. Маркировка микросхем памяти

FUCK

Модули памяти

С увеличением объема памяти ее микросхемы стаи занимать много места на материнской плате. С целью уменьшения размеров компонентов РС, в том числе и элементов оперативной памяти, были разработаны микросхемы памяти в планарном корпусе (SOJ, TSOP и др.).:Эта конструкция получила название модуль памяти.

Отказ от использования микросхем в О1Р-корпусах вызван необходимостью увеличения плотности печатного монтажа. Дело в том, что интегральные микросхемы в DIP-корпусе, во-первых, большие по размеру и, во-вторых, устанавливаются на печатную плату в отверстия, что не позволяет осуществлять монтаж с двух сторон платы. Интегральные микросхемы в планарном корпусе устанавливаются на поверхность печатной платы и припаиваются к

печатным проводникам. Таким образом, в одном месте печатной платы можно установить две интегральные микросхемы с двух сторон. Такая технология получила название SМТ (Surface Mounting Technologies - Технология

Примечание

Так как существует тенденция увеличения емкости и разрядности микросхем памяти, возможно, скоро необходимость в модулях памяти отпадет и будет достаточно всего одной микросхемы DRAM.

Уже ведутся работы по совмещению в одном корпусе СРU и DRАМ.

Каждый модуль устанавливается в специальный разъем (слот) на материнской плате. Таких разъемов может быть несколько. Они организуются в группы (по 2 или по 4 в зависимости от разрядности системной шины и модулей памяти), называемые банками. Как уже отмечалось, банк должен быть всегда заполнен. На рис. 3.15 представлена материнская плата для СРU Pentium, работающего с 64-разрядйой системной! шиной. Четыре 32-разрядные слота, предназначенные для установки 72-контактных SIММ-модулей, организованы в два банка. Поскольку банк памяти должен быть заполнен, для функционирования системы необходимо установить, как минимум, два SIMM модуля или один DIMM модуль.

SIP-модули

SIP-модули (Single In-Line Packages – Модули, имеющие однорядное расположение выводов) представляли собой небольшую плату с установленными на ней микросхемами DRAM (рис 3.16). Такая плта имела 30 выводов; ее размеры: длина около 8 см и высота - примерно 1,7 см.

Рис. 3.16. SIP-модули, имеющие время доступа 70 нс

Однако при установке и извлечении таких модулей тонкие выводы часто обламывались, контакт между выводом и разъемом был ненадежен, поэтому были разработаны SIММ-модули.

SIММ-модули

SIMM-модуль (Single In-line Memory module) имеет примерно такой же размер, как и SIР-модуль. Различие, прежде всего, заключается в конструкции контактов. Кроме того, выводы SIMM-модуля выполнены в виде так называемых контактов типа РАD (вилка). Это луженые или позолоченные печатные контакты. Они расположены с обеих сторон платы и попарно соединены. SIMM-модули устанавливаются в специальные слоты на материнской плате (рис. 3.17). Благодаря такой конструкции SIMM-модулей существенно повышается надежность электрического контакта в разъеме и прочность модуля в целом, тем более что все контакты изготовлены из высококачественного материала и позолочены.

Кроме того, удобная конструкция SIMM модулей позволяет пользователям самостоятельно изменять конфигурацию памяти, не опасаясь повредить выводы

Первые SIMM модули имели 30 выводов (короткие), позже плявились 72-контактные (длинные) модули. Назначение выводов 72-контактного SIMM модуля приведено в таблице 3.7

Емкость и время доступа SIMM-модуля определяются суммарной емкостью и временем доступа установленных на нем микросхем памяти, а его разрядность - количеством линий ввода/вывода данных (суммарной разрядностью установленных микросхем памяти). На SIMM-модуле с контролем четности устанавливается дополнительная микросхема памяти. 30-контактные SIMM-модули без контроля четности (non Parity) - 8-разрядные, с контролем четности (Parity) - 9-разрядные. 72-контактные SIMM- модули без контроля четности - 32-разрядные, с контролем четности или контролем и коррекцией ошибок (ЕСС) - 36- и 40-разрядные.

Для проверки сохраняемых в памяти данных на предмет отсутствия ошибок используется метод контроля четности. Суть метода заключается в том, что при записи данных в память для каждых младших 8 бит вычисляется контрольная сумма, которая сохраняется вместе с данными в виде бита четности. При считывании данных вновь вычисляется контрольная сумма и сравнивается со значением бита четности.

В современных системах подобная схема встречается крайне редко. На смену ей пришел более прогрессивный метод - ЕСС (Error Checking and Corrector), который позволяет не только фиксировать, но и исправлять ошибки в памяти

Необходимо, чтобы Chipset поддерживал ЕCC

модулей.

Таблица 3.8. Организация SIММ-модулей

Компоненты

Кроме микросхем DRAM, на SIMM-модуле, как правило, располагаются миниатюрные конденсаторы, предназначенные для сглаживания кратковременных скачков напряжения и предотвращения выхода из строя микросхем.

Эти конденсаторы могут находиться либо около каждого элемента DRAM, либо под ним, а также могут быть установлены 1 - 2 конденсатора, "обслуживающие" все микросхемы.

На некоторых SIMM-модулях установлены так называемые резисторы PRD (Presense Detect), комбинация которых определяет "электронную" маркировку модуля, считываемую контроллером памяти. Для 72-контактных модулей под PRD зарезервированы контакты 67 - 70. Первая пара контактов отвечает за информацию о емкости модуля, а вторая - за время доступа.

На некоторых SIMM-модулях может быть установлена микросхема генератора логической четности. Дело в том, что некоторые системы ориентированы на работу только с модулями, обеспечивающими контроль четности. Для того чтобы в подобных системах можно было использовать более дешевые модули без контроля четности, были разработаны так называемые логические модули. В таких модулях вместо отдельной микросхемы DRAM

Обычно SIMM-модули оборудованы микросхемами памяти общей емкостью 8, 16 и 32 Мб. Сравнительно недавно на рынке появились Я1ММ-модули, имеющие емкость 128 Мб и выше.

В РС с СРU 80 386 и ранних моделях с СР~З 80 486 использовались 30-контактные SIMM-модули памяти (DRAM), при этом на материнской плате могло быть от 4 до 8 слотов. В настоящее время найти в продаже подобные модули не просто. В более поздних моделях РС с СР~З 80486 стали использоваться 72-контактные SIMM-модули с микросхемами FРМ DRAM, а в РС с СРU Pentium - с микросхемами ЕDО DRAM.

SIMM-модули длительное время являлись стандартом в современных вычислительных системах, однако в 1997 г. им на смену пришли новые DIММ-модули.

В отличие от SIMM-модулей в DIMM-модулях (Dual In-Line Memory Module) контакты с двух сторон электрически независимы. Наиболее распространенными являются 168-контактные 64-разрядные модули DIMM, имеющие по 84 контакта с каждой стороны (рис. 3.18).

но устанавливать по одному на материнские платы с 64-разрядной системной шиной (для СРU класса Реntium).

Для установки в портативные РС (notebook) разработан DIMM-модуль малого размера (Small OutLine DIMM- SO DIM). Наиболее распространены 72- и 144-контактные SО DIMM-модули.

На DIMM-модули, как правило, устанавливаются микросхемы SDRAM (реже EDO DRAM). Кроме микросхем памяти, на модули могут быть установлены микросхемы буфера ввода/вывода и SPD.

Микросхема SPD (Serial Presense Detect - это микросхема энергонезависимой памяти EPRОМ, в которой записана информация о модуле и производителе. Дешевые DIMM-модули "безымянных" производителей обычно не имеют микросхем SPD; Это приводит к тому, что некоторые материнские платы (например, с Chipset 440 LX) отказываются с ними работать.

Некоторые модули (как правило, 168-контактные с микросхемами ЕDО DRAM) снабжаются специальной микросхемой (буфером), в которой сохраняются поступившие данные, освобождая контроллер. Буферизованный DIMM-модуль, как правило, несовместим с небуферизованным, поэтому эти два типа модулей имеют разное положение одного из ключей (см. рис. 3.17).

• Первый ключ расположен между контактами 10 и 11; он служит для определения типа памяти модуля (ЕDО DRAM или SDRАМ)
• Второй ключ расположен между контактами 40 и 41; он служит для определения напряжения питания модуля (5 В или 3,3 В)

В настоящее время большинство материнских плат оборудовано слотами для установки DIMM-модулей (см. главу 2). На некоторых материнских платах предусмотрено совместное использование модулей SIMM и DIMM.

Как уже отмечалось, для устойчивой работы системы с тактовой частотой системной шины 100 МГц корпорацией Intel была разработана спецификация РС100 на элементы SDRAM и DIMM-модули.

В этой спецификации для модулей РС100 DIMM' (в отличие от "обычных" DIММ-модулей) оговаривается следующее:

• Строго регламентирована длина сигнальных проводников на печатной плате модуля памяти, ширина и зазоры между проводниками
• Печатная плата должна иметь шесть слоев с обязательным выделением отдельных слоев под питание и корпус (ранее было 4)
• На концах сигнальных проводников должны быть установлены резисторы, уменьшающие переотражение сигналов
• Толщина золотого покрытия контактов должна быть не менее 0,8 мкм (ранее 0,1 - 0,3 мкм)

RIММ- модуль

RIMM – модуль (Rambus In-Line Memory Module)- это новый высокоскоростной модуль оперативной памяти РС, разработанный компанией Rambus совместно с Intel.

Внешний модуль RIMM похож на модуль DIMM (рис. 3.20), однако контакты расположены по разному. RIMM – модуль имеет 184 контакта.

Модули предназначены для установки на материнские платы, поддерживающие канал Direct Rambus, т. е. имеющие соответствующий контроллер и высокоскоростную 16-разрядную шину памяти, работающую с тактовой частой 400 МГц. Поскольку данные передаются с тактовой частотой 800 МГц 1о обоим перепадам синхроимпульса), то пропускная способность RIMM- модуля в три раза превышает аналогичную характеристику РС66 DIMM и в два раза - РС100 DIMM:

(400 МГц х 2 х 2 байт):(66 МГц х 8 байт) = 1бОО Мб/с : 528 Мб/с = 3

На материнской плате можно размещать до трех RIMM модулей (рис 3.21) Как и DIMM-модули, RIММ-модули оборудованы микросхемой SPD.

На модуле могут располагаться от 1 до 16 элементов DRAM. Однако одновременно может быть активна только одна микросхема, таким образом, уменьшается потребление питания модуля. Напряжение питания RIMM- модуля – 2,5 В

Как правило, на модулях RIMM устанавливаются микросхемы Direct RDDRAM, однако могут быть установлены и SDRAM и ЕDО. В последнем случае на модуле устанавливается специальный конвертер (рис. 3.22),

Южно-корейская компания Samsung Electronics уже приступила к массовому производству RIММ-модулей на основе микросхем SDRAM емкостью 64 Мбит. С 1999 г. начались поставки крупных партий новых модулей компаниям Intel, Compaq, Dell.

Маркировка модулей памяти

Если микросхемы памяти в мире выпускает около двух десятков производителей, то производителей модулей памяти очень много. Как правило, дешевые модули вообще не маркируются: часто вместо маркировки на корпусе микросхемы имеется лишь логотип производителя, страна-производитель или номер партии (рис. 3.23).

Если на корпус модуля памяти нанесена маркировка, то это вовсе не значит, что вы сможете ее прочитать. Обычно по первым буквам маркировки можно определить фирму изготовителя модуля (см. табл. 3.5), а последние цифры обозначают время доступа, однако расшифровать информацию об организации модуля, напряжении питания и т. п. удается далеко не всегда. Поэтому следует либо воспользоваться информацией, имеющейся на микросхеме DRAM, либо обратиться за дополнительной на сайт производителя.

В качестве примера на рис. 3.24 представлена маркировка SIMM-модулей (FPM/EDO) фирм LG, Micron

Организация элементов SRAM идентична организации элементов памяти DRAM, за исключением того, что SRAM не нуждается в регенерации памяти.

Буква S в названии означает Static (статический). Если бы SRAM устанавливалась в качестве оперативной памяти, это обеспечило бы значительное повышение быстродействия РС. Однако при этом существенно изменилась бы и стоимость РС, поскольку стоимость микросхем SRAM намного выше стоимости DRAM. Время доступа к РRAM составляет от 60 до 100 нс, а время доступа к ЗRAM - от 10 до 15 нс. Поэтому элементы SRAM устанавливают только для выполнения специальных задач, важнейшей из которых можно назвать кэширование, и микросхемы используются в качестве кэш-памяти второго уровня (Е2) и памяти для сохранения параметров ВIOS.

Использование SRАМ в качестве кэш-памяти рассмотрено в главе 2.

Как и DRAM, элементы SRAM являются "временной" памятью. Для того чтобы данные оставались неизменными, должно быть обеспечено гарантированное питание от аккумулятора. При этом ток, потребляемый элементами

• Async SRAM
• Sync Burst SRAM
• Pipelend Burst SRAM

Микросхема типа Async SRAM (Asynchronous SRAM- Асинхронная SRAM) имееют простейший асинхронный интерфейс, подобный интерфейсу DRАМ, включающий шины адреса, данных и управления. До недавнего времени микросхемы этого типа были стандартом для статической памяти.

Время доступа у подобных микросхем составляет 12, 15 или 20 йс. Это позволяет СPU читать данные в пакетном режиме без тактов ожидания (2-1-1-1) ишь на тактовой частоте системной шины до 33"МТц. На более высоких частотах временная диаграмма будет следующей 3-2-2-2.

Sync Burst SRAM (Synchronous Burst SRAM –Синхронная пакетная SRAM) обеспечивает временную диаграму 2-1-1-1 на частотах работы системной платы 50,60, и 66 МГц и имеет время доступа 8, 5, 10, 13,5 нс, соответственно. Этот тип статической памяти лучше всего подходит для выполнения пакетных операций и синхронизирован с системной шиной:: На частотах 5 МГц и выше временная диаграмма будет 3-2-2-2.

PB SRAM (Pipelined Burst SRAM - Конвейерная пакетная SRAM представляет собой усовершенствованную Sync Burst SRAM. Интерфейс РВ Вurst SRАМ (рис. 3.25) аналогичен интерфейсу Sync Burst SRAM. Конвейерная архитектура позволяет получать данные без тактов ожидания на частотах более 75 МГц. Память этого типа обеспечивает временную диаграмму 3-1-1-1 на частотах 66, 75, 83 МГц (время доступа 15,13,12, нс соответственно)

NVRAM

NVRAM используется для долговременного хранения данных, которые ни при каких обстоятельствах не должны быть утеряны. Буквы NV в названии None Volatile (Не временная). Элементы NVRAM не нуждаются в электропитании и сохраняют данные в течение длительного времени:. 'Энергонезависимая память используется для хранения кода BIOS компьютера, BIOS карт расширения, конфигурации периферийных устройств, скэн-кодов клавиатуры и др.

Существует несколько типов энергонезависимой памяти. Они различаются по способу перезаписи информации и применяются в разных областях.

ROM

Микросхемы RОМ (Read Only Memory) в настоящее время практически не применяются, поскольку не позволяют изменять записанную в них информацию. Программирование этих микросхем осуществляется на этапе их разработки. При изменении кода необходимо было разрабатывать новую микросхему.

PROM

Микросхемы PRОМ (Programmable Read Only Memory) нашли более широкое применение. Эти микросхемы программируются специальными программаторами однократно после изготовления. Кроме того, микросхемы РRОМ

практически не чувствительны к электромагнитным полям.

EPROM

Стираемые и многократно перепрограммируемые микросхемы EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) до недавнего времени были самыми распространенными носителями В10Б системы и карт расширения. Кроме того, микросхемы EPRОМ применяются в качестве знакогенератора принтера.

В отличие от PRОМ, которая программируется только один раз, микросхемы ЕРRОМ можно перепрограммировать с помощью специального программатора, подключаемого к РС через СОМ- или LРТ-Порт.

Стирание записанной информации осуществляется путем применения ультрафиолетового излучения через специальное окно, имеющееся в корпусе микросхемы. Некоторые микросхемы не имеют окна; стирание информации в них происходит с помощью рентгеновского излучения. Под воздействием излучения вся информация стирается одновременно несколько минут.

Запись может производиться побайтно в любую ячейку микросхемы с помощью электрических сигналов. После записи окно заклеивается с целью защиты записанной информации.

В отличие от ЕРRОМ информация в микросхемы ЕЕРRОМ ( Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) стирается с помощью электрического сигнала.

Flash EEPROM (или Flash Memory) может быть перезаписана без помощи специального программатора, а непосредственно в РС. Основные ее преимущества по сравнению с ЕЕPRОМ - малое время доступа и малая длительность процесса стирания информации. Работа запоминающей ячейки зтого типа памяти основана на физическом эффекте Фаули-Нордхайма (Fowler -Nordheim).

Большинство микросхем BIOS относятся к типу Flash EEPROM. Для установки новой версии BIOS необходима специальная программа (прошивальщик), которая, как правило, поставляется вместе с материнской платой (на дискете или компакт-диске), и файл с новой системой BIOS.

Флэш-память широко используется не только в РС, но и в сотовых телефонах, сетевом оборудовании, принтерах, факсах и т. д.

Несмотря на неисчерпанные возможности совершенствования флэш-памяти, многие аналитики склонны считать, что на рынке портативных устройств ее вскоре сможет потеснить память нового типа - ферроэлектрическая память Ferroelectric RAM, FRAM)

Первые микросхемы FRAM (Ferroelectric RАМ) были созданы корпорацией Ramtron еще в 1984 г. Лицензию на производство этих микросхем приобрели такие крупнейшие производители памяти, как Hitachi, Toshiba, Fujitsu , Samsung.

В отличие от традиционной кремниевой технологии производства элементов памяти в РRAM применяется сегнетоэлектрическая пленка на основе сплавов оксидов металлов (титана, циркония, свинца и т. п.).

Изображенный на рис. 3.26 кристалл - это кристалл идеальной архитектуры памяти Ramtron. "Черный" атом, расположенный в центре кристаллической решетки, под воздействием электрического заряда может перемещаться вверх или вниз, оставаясь в этом положении, пока не будет подан электрический сигнал. Смещение атома от централогического в одну сторону соответствует логической 1, в другую - О. Причем допускается многократная

Рис. 3.26. Ферромагнитная ячейка памяти FRAM

В ферроэлектрической памяти со случайным доступом информация сохраняется даже после того, как отключено напряжение питания. FRAM имеет преимущества динамической DRAM (возможность многократной перезаписи) и статической SRAM (высокая скорость), а также памяти RОМ (энергонезависимость). Комбинация этих свойств позволяет создать идеальное запоминающее устройство - быструю память, которая не теряет данные.

В ноябре 1998 г. корпорация Samsung Electronics объявила о поставке партии пробной микросхемы FRAM емкостью 64 Кб. К производству ферроэлектрической памяти также готовы компании, как Siemens AG, Hyondai, Motorola, NEC.

Специалисты считают, что микросхемы FRAM емкостью от 1 Мбит и. Выше попадут на рынок уже в 1999 г. и постепенно начнут вытеснять SRAM и Flash EEROM. характеристики представлены в табл. 3.10.

Таблица 3.10. характеристики энергонезависимой памяти различных типов

МRАМ

МRAM (Magnetic RAM) - это новое поколение энергонезависимой магнитной памяти, разработанной в исследовательском центре IМЕС (Бельгия) и корпорацией Yoshiba. Основой запоминающей ячейки микросхемы является многослойный магнитный вентиль, выполненный в виде полупроводникового кристалла. Согласно имеющейся информации, цикл чтения/записи для МRAM не превышает 6 нс.

Апаратные средства - 1

Апаратные средства - 2

Электронно Лучевая Трубка (ЭЛТ)

Жидко - Кристаллические мониторы