2.2.3 Оперативная память
advertisement
2.2.3 Оперативная память Оперативная память - это рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память. Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими устройствами с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором. За несколько лет определение RAM (Random Access Memory) превратилось из обычной аббревиатуры в термин, обозначающий основное рабочее пространство памяти, создаваемое микросхемами динамической оперативной памяти (Dynamic RAM - DRAM) и используемое процессором для выполнения программ. Одним из свойств микросхем DRAM (и, следовательно, оперативной памяти в целом) является динамическое хранение данных, что означает, во-первых, возможность многократной записи информации в оперативную память, а во-вторых, необходимость постоянного обновления данных (т.е., в сущности, их перезапись) примерно каждые 15 мс (миллисекунд). Также существует так называемая статическая оперативная память (Static RAM - SRAM), не требующая постоянного обновления данных. Следует заметить, что данные сохраняются в оперативной памяти только при включенном питании. Под компьютерной памятью обычно подразумевается ОЗУ (RAM), т.е. физическая память системы, которая состоит из микросхем или модулей памяти, используемых процессором для хранения основных, запущенных в текущий момент времени программ и данных. При этом термин "хранилище данных" относится не к оперативной памяти, а к таким устройствам, как жесткие диски и накопители на магнитной ленте (которые, тем не менее, можно использовать как разновидность RAM, получившую название виртуальная память). Термин "оперативная память" часто обозначает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение это способ представления адресов памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение - это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы. Во время выполнения программы в оперативной памяти хранятся ее данные. Микросхемы оперативной памяти (RAM) иногда называют энергозависимой памятью: после выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, Лист ПК.230106.583.ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата 3 если они предварительно не были сохранены на диске или другом устройстве внешней памяти. Чтобы избежать этого, некоторые приложения автоматически делают резервные копии данных. Файлы компьютерной программы при ее запуске загружаются в оперативную память, в которой хранятся во время работы с указанной программой. Процессор выполняет программно реализованные команды, содержащиеся в памяти, и сохраняет их результаты. Оперативная память хранит коды нажатых клавиш при работе с текстовым редактором, а также величины математических операций. При выполнении команды Сохранить (Save) содержимое оперативной памяти сохраняется в виде файла на жестком диске. Физически оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к системной плате. Эти микросхемы или модули могут иметь различные характеристики и, чтобы функционировать правильно, должны быть совместимы с системой, в которую устанавливаются. В современных компьютерах используются запоминающие устройства двух основных типов: DRAM (Dynamic Random Access Memory). Динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки. SRAM (Static RAM). Статическая оперативная память. Память типа DRAM Динамическая оперативная память (Dynamic RAM - DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти современных ПК. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости. Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут “стекать” и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную, например, 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128x15 мкс) прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных. Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах, работающих на Лист ПК.230106.583.ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата 4 частотах, равных сотням мегагерц, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторыхячейках памяти заряд “стечет”, а это вызовет сбои памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры. При автоматической установке системная плата считывает параметры синхронизации из системы определения последовательности в ПЗУ (serial presence detect - SPD) и устанавливает частоту периодической подачи импульсов в соответствии с полученными данными. В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время имеются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 1 Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более миллиарда транзисторов. В микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последователь но, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур. Транзистор для каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет - записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, и к потере данных. В работающей системе подобное приводит к появлению “синего” экрана, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы. SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory или синхронная динамическая память с произвольным доступом). Главное преимущество SDRAM заключается в способности обрабатывать следующие обращения к памяти, не дожидаясь окончания предыдущей операции. При обращении к памяти команды и данные синхронизируются по фронту тактового сигнала. Пакетная передача данных, считанных из ячеек памяти, начинается после обработки команд выборки строки и столбца (на каждую из них уходит по два такта). Данные выдаются на каждом такте, причем команда выборки следующего столбца поступает еще до окончания выдачи первого пакета данных. Лист ПК.230106.583.ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата 5 DDR SDRAM Прямой преемницей SDRAM стала память с удвоенной частотой передачи данных – DDR (Double Data Rate) SDRAM. В памяти этого типа обработка команд происходит по-прежнему синхронно с фронтом тактового сигнала, а вот передача данных синхронизируется как с фронтом, так с тылом тактового импульса. Другой важной особенностью памяти DDR SDRAM является архитектура с двукратной выборкой. Суть ее в том, что разрядность шины данных внутри модуля памяти в два раза больше, чем внешней шины. Тем самым обмен данными происходит пакетами, состоящими минимум из двух блоков, разрядность каждого из которых совпадает с разрядностью внешней шины. Модуль памяти DDR SDRAM обычно содержит восемь чипов памяти разрядностью 8 бит каждый, что при параллельном соединении дает 64-битную шину данных. Данные записываются побитно во все чипы одновременно. Каждая микросхема состоит из четырех банков, поэтому на модуле памяти образуется четыре 64-битных банка. Управляющие и адресные сигналы поступают на все чипы модуля по одной адресной шине. В итоге получается ассиметричная архитектура: узкая адресная шина и широкая шина данных, что снижает быстродействие. Распространенный пока еще тип оперативной памяти. DDR-II SDRAM Наиболее используемым видом памяти считается DDR-II SDRAM, внедрение которого произошло в 2004 году. Характерной особенностью такой памяти является удвоение частоты буферов ввода-вывода при неизменной внутренней частоте ядра. При этом за каждый такт передается два блока данных (как в обычной памяти DDR). В итоге по сравнению с частотой синхронизации ядра ввод-вывод данных осуществляется на четырехкратной скорости. Хотя благодаря этому ухищрению скорость потокового ввода-вывода действительно учетверяется, величина задержек определяется преимущественно собственной частотой ядра, а она для памяти DDR-II 400 МГц, как и для DDR SDRAM 200 МГц, и РС100 SDRAM, по-прежнему равна 100 МГц, что негативным образом влияет на производительность. DDR-III SDRAM – (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, тип 3) — это тип оперативной памяти используемой в компьютерах, разработанный как последователь DDR2 SDRAM. DDR3 сокращает потребление энергии на 40% по сравнению с модулями DDR2, благодаря применению 90-нм (в дальнейшем 65-нм и 50-нм) технологии производства, что позволяет снизить эксплуатационные токи и напряжения (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR). "Dual-gate" транзисторы будут использоваться для сокращения утечки тока. Преимущества по сравнению с DDR2: Более высокая полоса пропускания (до 2400 МГц) Увеличенная эффективность при малом энергопотреблении (более длительное время работы батарей в ноутбуках) Улучшенная конструкция, способствующая охлаждению Недостатки по сравнению с DDR2: Лист ПК.230106.583.ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата 6 Обычно более высокая CAS-латентность, но компенсируемая высокой полосой пропускания, таким образом увеличивающаяся полная производительность в определённых приложениях В настоящее время (2009 год) стоит намного дороже, чем эквивалентная память DDR2. Кэш-память SRAM Существует тип памяти, совершенно отличный от других, - статическая оперативная память (Static RAM - SRAM). Она названа так потому, что, в отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем DRAM, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры. Время доступа SRAM не более 2 нс; это означает, что такая память может работать синхронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из шести транзисторов. Использование транзисторов без какихлибо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. (Ведь если нет никаких конденсаторов, то и заряды не теряются.) Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено. По сравнению с DRAM быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее гораздо ниже, а цена довольно высока. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластеризованное их размещение не только увеличивает габариты микросхем SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM. Например, емкость модуля DRAM может равняться 64 Мбайт или больше, в то время как емкость модуля SRAM приблизительно того же размера составляет только 2 Мбайт, причем их стоимость будет одинаковой. Таким образом, габариты SRAM в среднем в 30 раз превышают размер DRAM, то же самое можно сказать и о стоимости. Все это не позволяет использовать память типа SRAM в качестве оперативной памяти в персональных компьютерах. Выбор памяти Учитывая то, что системная плата поддерживает работу памяти DDR III и двухканальный режим, будет использоваться комплект из двух модулей памяти Kingston DDR3 PC106661333MHz 2048MBx2. (Рис. 10). Объема памяти 4 гигабайта вполне достаточно для удовлетворения всех требований, касающихся работы в учебной лаборатории. При этом двухканальный режим обеспечит высокую производительность памяти за счет повышения разрядности шины памяти. Лист ПК.230106.583.ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата 7 Kingston DDR3 PC106661333MHz 2048MBx2 Таблица №5. Параметры памяти Производитель Модель Объем модуля памяти Количество модулей в комплекте Тактовая частота Пропускная способность Тип Форм-фактор Напряжение питания CAS Latency (CL) RAS to CAS Delay (tRCD) Row Precharge Delay (tRP) Kingston KVR1333D3S8N9K2/4G / KVR1333D3N9K2/4G 2 Гб 2 1333 МГц 10600 Мб/с DDR3 DIMM 1.5 В Тайминги 9 9 9 Рисунок 10. Внешний вид модулей оперативной памяти Лист ПК.230106.583.ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата 8
