Внутренняя память ПК

Архитектура машинной памяти

Память компьютера представляет собой набор запоминающих устройств (ЗУ) - технических средств, осуществляющих запись, хра­нение и выдачу информации. Таким образом, ЗУ являются технической реализацией подсистемы хранения данных; основными их характеристи­ками являются емкость и быстродействие.

Емкость ЗУ определяет максимальное количество информации, кото­рое может быть в нем размещено; она измеряется в битах, байтах и про­изводных от них единицах. Быстродействие ЗУ оценивается временем

доступа, то есть временем, необходимым для того, чтобы получить до­ступ к произвольному участку памяти для считывания/записи данных.

К памяти компьютера предъявляются требования большой емкости и высокого быстродействия. Эти требования противоречивы, так как с уве­личением емкости ЗУ их быстродействие уменьшается. В соответствии с принципами построения ЭВМ, разработанными Дж. фон Нейманом, память должна иметь иерархическую структуру. Первоначально вы­деляли оперативную память (ОП), реализованную в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), и внешнюю, функции которой вы­полняют разнообразные внешние запоминающие устройства(ВЗУ). Но, поскольку разница в быстродействии процессора, ОП и внешней памяти очень велика, обмен информацией между этими структурными едини­цами осуществляется через несколько промежуточных звеньев (рис. 12); каждое из них должно удовлетворять определенным требованиям по емкости и быстродействию.

Рис. 12. Иерархия машинной памяти

К первому уровню в иерархии типов памяти относятся регистровая и кэш-память (cache). Регистры имеют очень малую емкость и пред­назначены для кратковременного хранения данных, программных ин­струкций и результатов их выполнения процессором. Этот вид памяти обладает самым высоким быстродействием; обычно она входит в состав процессора.

Кэш-память (cache) - запоминающее устройство с малым временем доступа (гораздо меньшим, чем у оперативной памяти), используемое для временного хранения промежуточных результатов вычислений и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОЗУ. Вообще кэширо­ванием называется любое размещение данных в памяти с более быстрым доступом; такой подход часто бывает оправдан, поскольку более быстрая память обычно стоит гораздо дороже медленной. Хранение в кэше наибо­лее интенсивно используемых данных позволяет существенно повысить быстродействие системы, не слишком удорожая ее.

Кэширование особенно эффективно, когда доступ к данным осущест­вляется преимущественно в последовательном порядке. После первого запроса на чтение данных, расположенных в медленной памяти, можно сразу сбросить последующие блоки в кэш; тогда при очередном запросе на чтение данныебудут извлекаться уже не из ОЗУ, а из гораздо более быстрой кэш-памяти. Такой прием называется упреждающим чтением. Кэш-память современных ПК имеет иерархическую структуру: кэш первого уровня (Level 1, сокращенно L1) располагается непосредственно на кристалле процессора, а более медленный кэш второго уровня (Ь2-кэш) обычно размещают на системной плате (рис. 13). Таким образом, Ll-кэш временно хранит наиболее важные данные Ь2-кэша, а тот, в свою очередь, кэширует еще более медленную оперативную память.

Рис. 13, Схема устройства кэш-памяти

В целом кэш-память выполняет роль буфера между оперативной па­мятью и процессором, сглаживая разницу в их быстродействии за счет временного хранения циркулирующей между ними информации.

Следующий уровень в общей иерархии машинной памяти образу­ет оперативная память; ОЗУ хранит информацию, непосредственно необходимую для работы программ. К этому же уровню относятся и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ); большей частью они со­держат сведения, связанные с особенностями используемой аппаратуры и микропрограммы базовой системы ввода/вывода (Basic Input/Output System - BIOS). Программы BIOS позволяют компьютеру сразу после включения питания выполнить три важнейшие операции:

распознать, какие устройства установлены в ПК;

получить указания, откуда и как считывать загрузчик операционной системы;

определить, как именно организовать взаимосвязь между централь­ным процессором и остальными устройствами (дисководами, монитором, памятью, клавиатурой и др.).

В ПК обычно имеется также CMOS-память, предназначенная для хра­нения данных о конфигурации компьютера и пользовательских настрой­ках BIOS (объем ОЗУ, тип внешних запоминающих устройств и т.д.).

К третьему уровню относятся буферные ЗУ (БЗУ), использование которых повышает эффективность обмена между внешней и оперативной памятью, имеющими существенно разное быстродействие. Как правило, буферная память размещается в контроллерах ВЗУ; чем больше ее объем, тем быстрее происходит обмен.

Четвертый уровень машинной памяти образуют внешние запоминаю­щие устройства (ВЗУ); в них хранятся данные, не используемые в данный момент запущенными на исполнение программами.

Оперативная память

Оперативная память, которая также именуется RAM-память (Random Access Memory, память произвольного доступа) используется централь­ным процессором для хранения данных и исполняемого программного кода. Она представляет собой совокупность электронных ячеек, каждая из которых может хранить произвольную 8-значную комбинацию из нулей и единиц, то есть 1 байт информации. Каждая такая ячейка имеет определенный адрес; он нужен для обращения к ее содержимому при записи и считывании информации.

Физически память представляет собой набор отдельных устройств (модулей), размещаемых на материнской плате (рис. 14). К главным ее характеристикам относятся:

емкость, измеряемая в мегабайтах (в современных компьютерах в основном используются модули емкостью 256, 512 Мбайт и более);

время доступа (в наносекундах) или частота шины памяти (в мега­герцах);

пропускная способность канала данных (Мбайт/с).

Рис. 14. Внешний вид модуля памяти

По принципу действия RAM-память подразделяют на динамическую и статическую; различия между ними связаны с аппаратной реализацией ячеек для хранения данных.

Ячейки статической памяти (SRAM) построены на базе триггеров - транзисторных схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи данных в такую ячейку она может пребывать в одном и том же состоя­нии (а значит, сохранять записанные в нее данные) сколь угодно долго — необходимо лишь наличие питания. Отсюда и название памяти - ста­тическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее высокое быстродействие, а главными недостатками — высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных (и соответственно гораздо более высокая стоимость в расчете на 1 Мбайт).

В динамической памяти (DRAM) элементарная ячейка представляет собой микроконденсатор. Он способен сохранять электрический заряд в течение определенного промежутка времени, хотя и очень небольшого. Несколько упрощая реальную схему функционирования ячеек DRAM, можно сказать, что при записи в нее логической единицы конденсатор заряжается, а при записи нуля - разряжается. При считывании данных каждый конденсатор разряжается (через схему считывания) и, если его заряд был ненулевым, на выходе схемы устанавливается единичное значение. При этом поскольку при считывании происходит разрядка, конденсатор необходимо зарядить до прежнего значения. К тому же, если обращение к ячейке не происходит в течение длительного времени, за счет токов утечки конденсатор разряжается сам собой (это неизбежный физи­ческий процесс) и информация теряется. В силу указанных причин память DRAM требует постоянной периодической подзарядки конденсаторов - так называемой регенерации (Memory Refresh}. Она осуществляется путем циклического обращения ко всем ячейкам памяти (каждое такое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора). Естественно, на циклы регенерации уходит много времени, что существенно замедляет работу DRAM.

К достоинствам динамической памяти относятся высокая удельная плотность размещения данных и низкое энергопотребление, к недостаткам — относительно низкое быстродействие. В настоящее время модули DRAM используются в качестве оперативной памяти компьютера, а микросхемы SRAM - в качестве кэш-памяти.

Наибольшее распространение получили сейчас два типа динамиче­ской памяти - SDRAM и DDR SDRAM.

Синхронная динамическая память (SDRAM) работает синхронно с тактами центрального процессора. При этом контроллер памяти имеет информацию о времени готовности данных, что позволяет освободить процессор от необходимости ждать момента доступа к памяти и повы­шает скорость обмена данными. Маркировка модулей SDRAM отражает не время доступа к памяти, а частоту, на которой он способен работать. Модули со временем доступа 15 и 10 не (Р.С66) устойчиво работают на частотах не более 66-75 МГц. Для системной шины с частотой 100 МГц необходимы модули РС100 (со временем доступа 7—8 не), а 133-мегагер-цевая шина требует еще более быстрой памяти РС133.

Следующим шагом в развитии синхронной динамической памяти стало создание ее модификации DDR SDRAM (Double Data Rate - удво­енная скорость передачи данных), или SDRAM II; в ней передача данных осуществляется по фронту и срезу тактовых импульсов одновременно, чем достигается удвоение скорости передачи при той же тактовой частоте.

DDR-память, работающую на частоте 100 МГц, иногда обозначают как DDR200, подразумевая при этом, что «эффективная частота» памяти со­ставляет 200 МГц (данныепередаются два раза за такт). Хотя обозначение типа DDR200, DDR266 и DDR333 кажется вполне логичным, официально принято другое обозначение - маркировка показывает не эффективную частоту, а пиковую пропускную способность обмена данными в мегабай­тах в секунду. Соответственно, память DDR200 обозначается как PC 1600, DDR266 - РС2100, DDR333 - РС2700 и т.д.

Память Direct Rambus DRAM, или DRDRAM, занимает особое по­ложение среди современных типов синхронной динамической памяти. Тактовая частота ее работы составляет 400 МГц, причем обращение к памяти происходит по положительному и отрицательному фронту так­товых импульсов (как и в DDR-памяти), поэтому «эффективная частота» достигает 800 МГц. Этот вид памяти имеет общую пропускную способность до 3,2 Гбайт/с, но пока не получил широко распространения из-за высокой стоимости.