Оперативная память
Оперативная память компьютера располагается на материнской плате, Кратко ее называют ОЗУ (Оперативное Запоминающее Устройство) илиRAM (Random Access Memory — Память с произвольным доступом), потому что в любой момент времени можно обратиться к произвольно выбранной ячейке этой памяти. В оперативной памяти хранятся программы и данные участвующие в процессе обработки. Когда вы запускаете какую-нибудь программу, она сначала считывается (переносится) с винчестера или другого внешнего носителя данных в оперативную память. Особенностью ОЗУ персонального компьютера является то, что она энергозависима, т.е. информация в ней теряется сразу после выключения электропитания.
Для пользователя основной характеристикой оперативной памяти является ее размер, который измеряется в мегабайтах (1 Мбайт = 1 048 576 байт).. Конструктивно оперативная память выполнена в виде модулей, так что их можно легко заменить или установить дополнительные. Старые материнские платы для процессоров Pentium, Pentium II и Pentium III могут иметь разъемы либо для подключения только 72-контактных модулей памяти SIMM (Single Inline Memory Module), либо для подключения модулей памяти SIMM, или 168-контактных модулей DIMM. На современных материнских платах, рассчитанных на процессоры Pentium 4, используются 168-коитактные (32-разрядная шина данных) модули DIMM памяти SDRAM и 184-контактные модули DIMM памяти DDR SDRAM (64-разрядная шина данных).
Для модулей памяти важны такие ее характеристики, как тип (FPM, EDO, BEDO, SDRAM и т.д.), время доступа, напряжение питания и др. Причем время доступа для некоторых типов памяти измеряется в наносекундах, а для некоторых, например, для SDRAM, характеристикой быстродействия служит частота, на которой может работать память. В частности, для 100-мегагерцевой памяти SDRAM необходима материнская плата, которая может обеспечить работу системной шины также на частоте 100 МГц. Причем время доступа для 100 МГц памяти вовсе не 10 наносекунд, как следовало бы ожидать, а несколько тактов по 10 наносекунд.
Рассмотрим подробнее принципы работы различных типов оперативной памяти. Оперативная память подразделяется на два типа: с динамической (Dynamic RAM, DRAM) и статической (Static RAM, SRAM) выборкой. В первом случае значение бита информации в ячейке определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, который управляется 1-2 транзисторами. В статической памяти применены специальные элементы — триггеры, имеющие два устойчивых состояния, реализованные на 4-6 транзисторах. Быстродействие статической памяти SRAM выше, чем быстродействие динамической памяти DRAM, но статическая память SRAM значительно дороже из-за большего числа транзисторов на ячейку. Обычно модули памяти DRAM применяют в оперативной и видеопамяти, а модули SRAM — в качестве быстрой буферной кэш-памяти в процессорах, на материнских платах, в жестких дисках.
Содержимое динамической памяти остается неизменным в течение очень короткого промежутка времени, поэтому она должна периодически обновляться. Как мы уже упоминали, запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая единица (1), если разряжен — логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться сколь угодно долго, но в реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена, так как конденсаторы ячеек памяти полностью разрядятся. Процесс обновления динамической памяти называется регенерацией памяти (Refresh). Процессор имеет доступ к данным, находящимся в динамической памяти только в течение циклов, свободных от регенерации. Специальная схема через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) осуществляет чтение и запись всех ячеек памяти. В эти моменты процессор находится в состоянии ожидания. Автоматическая регенерация памяти происходит также при выполнении каждой операции чтения или записи ячейки памяти.
Ячейки в динамической памяти образуют матрицу, состоящую из строк и столбцов. При считывании данных содержимое одной строки целиком переносится в буфер, который реализован на элементах статической памяти. После этого в строке считывается значение (О или 1) нужной ячейки. При считывании информации из ячеек памяти происходит ее разрушение, поэтому производится перезапись считанной информации, т.е. содержимое буфера вновь записывается в прежнюю строку динамической памяти.
Основными характеристиками микросхем памяти являются:
- тип;
- емкость;
- разрядность;
- быстродействие;
- временная диаграмма.
Существуют следующие типы памяти: FPM (Fast Page Mode), EDO (Extended Data Out), BEDO (Burst EDO), SDRAM (Synchronous DRAM), RDRAM (Rambus DRAM), DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM), SLDRAM (SyncLink DRAM), VCM DRAM (Virtual Channel Memory DRAM). Память типа EDO считается более быстрой по сравнению с FPM, однако реально это преимущество не так очевидно из-за применения на материнской плате быстродействующего кэша второго уровня. Без кэша производительность систем с памятью типа EDO быстрее на 20%, чем систем с памятью FPM, однако если размер кэша второго уровня равен хотя бы 256 килобайтам, это превосходство не превышает 1-2%.
- SDRAM — один из наиболее популярных типов памяти. Все операции в SDRAM синхронизированы с внешней частотой системы. Это позволяет увеличить производительность по сравнению с асинхронными DRAM типа FPM и EDO. Это очень важно для общей производительности системы, так как для большинства персональных компьютеров частота шины является узким местом, ограничивающим их производительность. Пиковая пропускная способность памяти SDRAM достигает 1 Гбайт/с при тактовой частоте системной шины 133 МГц.
Созданы два вида памяти RDRAM: DRDRAM (Direct RDRAM) и CDRAM (Concurrent RDRAM). Память CDRAM отличается высокой эффективностью, что делает полезным ее использование в графических станциях и серверах. Эффективная частота передачи данных составляет 800 МГц. Однако данная память имеет высокую стоимость.
В DRDRAM реализована шина, у которой сигналы управления передаются отдельно от данных. При этом тактовая частота достигает 400 МГц, но поскольку данные передаются дважды за такт, эффективная частота составляет 800 МГц. Теоретически пиковая пропускная способность достигает 3,2 Гбайт/с. Однако следует отметить, что на многих тестах DRDRAM уступает SDRAM, работающим на частоте 133 МГц.
Чипы памяти GDDR—III, разработанные для применения в составе высокопроизводительных графических плат, обеспечивают пропускную способность 1-1,5 Гбит/с на контакт, что почти вдвое выше производительности DDR—II SDRAM.
Микросхемы (чипы) памяти выпускаются различной емкости, которая измеряется в Мегабитах, например 1 Мегабит (здесь обозначение Мб (Mb) — это именно Мегабит, а не Мбайт), 4Mb, 16Mb, 64Mb и 256Mb. Каждая микросхема содержит ячейки, в которых может храниться от 1 до 16 бит данных. Например, 16МЬ-чип может быть сконфигурирован как 4Mbx4, 2Mbx8 или 1МЬх1б, но в любом случае его общая емкость 16Mb.