YI. Оперативная память

Большинство пользователей имеет дело с двумя видами памяти внешней и оперативной. Внешняя память представлена прежде всего дисковыми устройствами: винчестером, CD-, DVD ROMом, магнитооптическими дисками. В последнее время начали активно использовать и память на Flash накопителях, она стала доступна по цене. В портативных устройствах (цифровые фотоаппараты, МР3 проигрыватели и др.) применяются различные модули памяти на Flash картах. Из всех типов внешней памяти неотъемлемой частью настольного ПК является винчестер, и его емкость является одним из главных элементов при выборе конфигурации компьютера. Характеристики винчестера и интерфейсы подключения к материнской плате только что были рассмотрены.

До появления персональных компьютеров в микро-ЭВМ использовалась, так называемая постоянная память (ПЗУ— постоянное запоминающее устройство, или ППЗУ—полупостоянное запоминающее устройство), которое содержало операционную систему и, как правило, язык программирования типа БЭЙСИК (Basic). На всех поколениях персональных компьютеров ПЗУ также использовалось для хранения программы начального тестирования и программы BIOS, которая является доступной компьютеру сразу после включения компьютера еще до загрузки операционной системы. ПЗУ являлось и остается связующим звеном, между операционной системой и железом. В дальнейшем она получила название память ROM — read-only memory, и в настоящее время имеются средства для ее изменения, так называемые программы прошивки (перепрошивки), в отличие от первых поколений ПК. Данный вид памяти так же коротко был рассмотрен выше.

Еще один вид памяти, на который последнее время все больше внимание обращают пользователи, называется кэш-память. Кэш-память (cache) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью. Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости работы процессора и основной памяти — туда попадают наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша. Принцип работы кэш-памяти и ее месторасположение подробно рассмотрено в предыдущем пособии[2].

Кэш-память применяется также и для других устройств ПК, таких как лазерный принтер, винчестер. Но для этих устройств она называется буфером или буферной памятью.

Что касается оперативной памяти, то следует отметить, что производительность компьютерной системы напрямую зависит именно от нее. Оперативная память является вторым основным фактором после микропроцессора, от которой зависит мощность компьютера. Конечно, не стоит умалять и другие важные факторы производительности, такие как FSB на материнской плате или скорость винчестера.

Одним из главных отличий ОП от внешней является скорость доступа к данным, находящимся в регистрах оперативной памяти. Она в сотни тысяч раз быстрее и составляет менее 10 наносекунд (нс) по сравнению с винчестером (порядка 10 миллисекунд).

Но принципиальное отличие от внешней памяти заключается в том, что оперативная память хранит информацию в своих регистрах (ячейках) только во время обработки данных. Так же на время обработки загружаются и программные модули конкретной системы, с помощью которой обрабатываются эти данные. Таким образом, содержимое оперативной памяти постоянно обновляется и при выключении компьютера обнуляется (гасится). По этой причине ее называют энергозависимой, т.е. зависит от наличия питания. Оперативную память можно представить в виде полигона ячеек, на котором осуществляются операции по обработке информации, содержимое ячеек которых постоянно обновляется.

Оперативную память называют RAM-памятью (Random Access Memory) – память с произвольным доступом. Поскольку элементарной единицей информации является бит, оперативную память можно рассматривать как некий набор элементарных ячеек, каждая из которых способна хранить один информационный бит. Элементарная ячейка оперативной памяти представляет собой конденсатор, который способен в течение короткого промежутка времени сохранять электрический заряд. Наличие заряда и является информационным признаком или заполненным битом. Проще говоря, заряженный конденсатор отражает логическую единицу в ячейке памяти, а разряженный соответствует наличию нуля. Поскольку элементарной единицей информации для современных компьютеров является байт (восемь бит), то для простоты можно считать, что элементарная ячейка памяти, которая может адресоваться, хранит не бит, а байт информации. Таким образом, доступ в памяти производится не побитно, а побайтно.

Микросхемы памяти организованы в виде матрицы. Например, рассмотрим схему модуля памяти, в котором имеется четыре банка, каждый из которых содержит 8192 строки и 1024 столбца. Таким образом, емкость каждого банка— 8192x1024 = 8192 Кбайт = 8 Мбайт. Если в чипе имеется четыре банка, получается, что полная емкость чипа составляет 32 Мбайт, если 8 банков – то 64 Мбайта и т.д. Сегодня на большинстве ПК модули памяти содержат 128, 256, 512 Мбайт. В последние время в продаже появились модули с емкостью 1 Гбайт и приступили к производству модулей 2 Гбайта. Следует напомнить, что на материнских платах имеется два, три или четыре разъема для установки модулей оперативной памяти. Это позволяет в любой момент позволяет расширить ОП или заменить модули меньшей емкости на модули с большим объемом памяти. Большинство современных плат использует четыре разъема, предназначенных для модулей памяти типа DDR2.

В истории развития технологий в области оперативной памяти насчитывается более десятка различных типов памяти, но все они базируются на двух фундаментальных принципах: статическая память (SRAM — Static RAM) и динамическая (DRAM — Dynamic RAM).

Самой быстрой памятью (и дорогой) является статическая (SRAM), она используется в качестве кэш-памяти микропроцессора. Скорость ее работы в несколько раз превышает динамическую (DRAM). Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы-десятки наносекунд) и высокое энергопотребление.

Дело в том, что память DRAM требует постоянного обновления (регенерацию), на что уходит дополнительное время. А память SRAM может храниться долго, до момента ее вытеснения новыми данными или до отключения питания. После записи бита в ячейку SRAM она может пребывать в этом состоянии длительное время, необходимо только наличие питания.

История персональных компьютеров насчитывает уже десятки различных типов оперативной памяти. Это одна из первых FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM — динамическая память с быстрым страничным доступом). Затем EDO DRAM (Extended Data Out — расширенное время удержания данных на выходе) фактически представляют собой обычные микросхемы FPM, на выходе которых установлены регистры-защелки данных. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки.

И наконец, SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная динамическая память) — память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной (FPM/EDO). Помимо синхронного метода доступа SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где не требуется дополнительных тактов ожидания.

Конструктивно оперативная память изготавливается в виде независимых модулей разной емкости, которые устанавливаются в соответствующие разъемы на материнской плате:

· DIP (Dual In line Package — корпус с двумя рядами выводов) — классические микросхемы, применявшиеся в блоках основной памяти XT и ранних AT;

· SIP (Single In line Package — корпус с одним рядом выводов) — микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально;

· SIPP (Single In line Pinned Package — модуль с одним рядом проволочных выводов) — модуль памяти, вставляемый в панель наподобие микросхем DIP/SIP, применялся в ранних AT;

· SIMM (Single In line Memory Module — модуль памяти с одним рядом контактов) — модуль памяти, вставляемый в зажимающий разъем; применялся на материнских платах, а также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд контактов;

· DIMM (Dual In line Memory Module — модуль памяти с двумя рядами контактов) — модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами, за счет чего увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле. Начал применяется в последних платах для Pentium и на всех материнских платах для Pentium II и старше.

Стандартной для современных компьютеров является синхронная динамическая оперативная память — SDRAM в исполнении DIMM.

SDRAM — это первая технология оперативной памяти со случайным доступом (DRAM), разработанная для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора с внешней шиной данных. SDRAM разработана на основе стандартной DRAM и работает почти так же, как стандартная DRAM, но она имеет несколько отличительных характеристик, делающих ее более прогрессивной.

Следующий шаг в развитии SDRAM — DDR SDRAM. Ее преимущество в том, что новая синхронная память может передавать данные по восходящему и падающему уровню сигнала шины, что позволяет увеличить пропускную способность до 1,6 Гб/с при частоте шины в 100 М Гц. Это увеличит вдвое пропускную способность памяти по сравнению с существующей SDRAM. Практически все современные материнские платы поддерживают память DDR SDRAM и более новых поколений DDR2.