Все вычислительные операции происходят в основной памяти и процессоре. Это связано с тем, что перед обработкой процессором данных и программ они должны быть помещены в определенную область основной памяти. Некоторые программы и небольшие массивы данных могут находиться в памяти постоянно. Большинство из них помещаются в память только по мере необходимости, а затем отбрасываются (программы) или сохраняются в постоянной области хранения (данные), после чего занятое ими пространство снова становится доступным для новых программ и данных.
Рис. 5.3 Типы памяти компьютера
Основная память РС представляет собой комбинацию RAM (Random Access Memory – оперативной памяти), ROM (Read Only Memory – память «только для чтения» или постоянное запоминающее устройство – ПЗУ) и вакантных областей, т.е. процессор способен к адресации пространства физической памяти фиксированного размера [12]. Одни области этого пространства размещены на модулях RAM–памяти, другие – на микросхемах ПЗУ (ROM) или энергонезависимой NVRAM–памяти (non–volatile RAM).
Память является основным элементом любой ЭВМ. Элементы памяти в том или ином виде присутствуют в каждом конструктивном модуле ПК.
Оперативная память – временная память, так как данные хранятся в ней только до выключения ПК. Конструктивно память выполнена в виде модулей, которые можно заменять, дополнять, чтобы увеличить объём ОП. К данным, находящимся в ОП – RAM–памяти (Random Access Memory – памяти с произвольным доступом), CPU имеет непосредственный доступ, а к периферийной или внешней памяти (НГМД, НЖМД) – через буфер,являющийся также разновидностью ОП, недоступной пользователю. Время доступа к данным мало, а потому скорость обработки их велика.
Запоминание данных в ОП носит временный характер не только из–за питания, но и потому, что она является динамической, т.е. она должна периодически обновляться, так как информация здесь хранится на конденсаторе, а в нём есть ток утечки, что его разряжает, и информация теряется.
Чтобы не было потерь вынуждены проводить регенерацию памяти. Это означает, что CPU имеет доступ к данным в RAM только в течение циклов, свободных от регенерации. Здесь через определённые промежутки времени специальная схема осуществляет доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания.
За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти (ДП).
Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из 32 строк и 32 столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента – адрес строки и адрес столбца.
Микросхемы памяти объединены в модули: SIMM, DIMM, RIMM.
CPU взаимодействует через контроллер с банком памяти.
Количество модулей памяти для заполнения банков определяется отношением разрядности системной шины к разрядности модуля памяти.
Системная шина ПК с CPU Pentium и Pentium II 64–разрядная, поэтому 32–разрядные SIMM–модули ставят в банки попарно, а 64–разрядный DIMM ставят один. Из–за пакетного способа обработки данных из памяти (по 64 бита или 32 бита) увеличилась скорость обмена данными.
Для сокращения простоев во время регенерации, данные, следующие друг за другом в ячейках памяти, помещают в различные банки, из которых CPU должен считывать данные попеременно. Это организовывает контроллер памяти, который логически объединяет 2 банка в один и распределяет адресное пространство так, чтобы соседние адреса были в разных банках.
Обычно память делится на страницы размером 512 байт и более. Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным, находящимся в RAM. Это достигается за счёт применения промежуточной быстродействующей памяти небольшой ёмкости (от 256 Кбайт до 2 Мбайт – буфер между CPU и RAM). Кэш–память синхронная и работает на частоте CPU, а потому нет циклов ожидания.
Типы оперативной памяти
В 1997 году для синхронизации работы памяти и системной шины использовалась микросхема синхронной динамической памяти SDRAM (Sythronous DRAM). Метод доступа к строкам и столбцам данных – как в DRAM. Отличие в том, что память и CPU работают синхронно, без циклов ожидания. Современные микросхемы работают на тактовых частотах CPU 66, 75, 83, 100, 125 и 133 МГц [10]. Есть чередование адресов и пакетный режим, а также 3–ступенчатая конвейерная адресация, позволяющая запрашивать данные до завершения обработки предыдущих. Здесь 2 и более банков. Сейчас SDRAM заменила память типа FPM и DRAM. Модули памяти PC 100/133 SDRAM выпущены в корпусе TSOP. Количество их выводов зависит от глубины адресного пространства микросхем.
ESDRAM является расширением микросхемы SDRAM. Работает на частоте системной шины 66, 100 и 166 МГц, время рабочего цикла – 8 нс, совместима с PC 100 SDRAM.
DDR SDRAM (SDRAM II) – Double Date Rate – удвоенная скорость передачи данных. Состоит из 4 независимых банков, в которых команды обрабатываются параллельно. В маркировке у них не частота, а пропускная способность: PC 1 600 для 100 МГц и PC 2 100 для 133 МГц. Их поддерживает чипсет корпорации VIA – VIA Apollo KX–266, AMD – Chipset AMD 760.
В микросхеме RDRAM фирмы RAMBUS организация банков выборки данных из памяти построена по–другому. Шина данных 16–разрядная и 8–разрядная шина управления. Тактовая частота 400 МГц, но данные пересылаются по переднему и заднему фронту синхроимпульса:
16 бит * 400 МГц * 2 = 1,6 Гбайт/с.
Здесь по одной шине передаётся адрес строки, а по другой – адрес столбца. Передача адресов осуществляется последовательными пакетами.
В процессе работы выполняется конвейерная выборка из памяти, причём адрес может передаваться одновременно с данными.
Ёмкость микросхем 16, 32, 64, 128 и 256 Мбайт. Планируется 512 и 1 Гбайт.
Для этой памяти разработаны чипсеты Intel 810, Intel 810E, Intel 820, Intel 840 и Intel 845.
В SLDRAM (Sync Linc DRAM) используется классическое ядро DRAM. Для этой памяти в стандарте предусмотрен протокол пакетной передачи адреса.
DIMM (Dual In–line Memory Module) – с двухсторонними независимыми контактами в количестве 168 и 64–разрядные.
Для устойчивой работы системы с тактовой частотой 100 МГц Intel разработала спецификацию PC 100 – все модули должны иметь скорость обмена не более 24 ГГц/c.
В 1997 году корпорация NEC разработала модули DIMM с тактовой частотой 100 и 133 МГц, которые получили название VCM (Virtual Channel Module). Они вставляются в стандартный слот DIMM со 168 контактами, но на плате есть 16 виртуальных каналов памяти (для каждой программы свой). В нём происходит временное хранение данных.
Обмен данными между виртуальным каналом и ячейками памяти осуществляется блоками по 1 024 бита.
Есть ещё модули DIMM на микросхемах DDR SDRAM, но они не совместимы с предыдущими DIMM–модулями, так как имеют 184 контакта.
RDIMM– модули (Registred) используются всистемах, требующих более 1 Гбайт ОП. Они 72–разрядные, но печатная плата большего размера, чем для предыдущих моделей. Они требуют микросхему, обеспечивающую страничную организацию памяти.
RIMM– модуль (Rambus In–line Memory Module) – это новый высокоскоростной модуль с 184 контактами.
Он с обеих сторон закрыт металлическим экраном от наводок и взаимного влияния модулей.
На материнской плате три слота для этих модулей, но чипсеты I 810,
I 810E и I 820 поддерживают только 2 модуля, а конструкция материнской платы не разрешает оставлять пустых слотов RIMM – вынуждены добавлять «пустышки» CRIMM (Contianity RIMM).
Модули RIMM устанавливаются на материнские платы с поддержкой канала Direct Rambus, т.е. должен быть соответствующий контроллер и высокоскоростная 16–битная шина памяти, работающая на тактовой частоте 400 МГц. Пропускная способность в 3 раза выше, чем у PC 66 DIMM и в 2 раза выше, чем у PC 100 DIMM. Напряжение питания – 2,5 В.
Как правило, в эти модули устанавливают микросхему Direct RDDRAM, но могут быть установлены и SDRAM, и EDO (но для EDO ставят специальный конвертер).
Появились новые модули ОП DDR2 400 (PC3200). Они обладают меньшим энергопотреблением, большей тактовой частотой и высокой пропускной способностью. Компании Corsair и OCZ уже анонсировали модули DDR2 667 (PC2–5300) и DDR2 800 (PC2–6400),т.к. у DDR2 400 мало преимуществ по сравнению с DDR1 400 – производительность практически не изменилась.
Статическая память.
Статическая память [10] используется в качестве кэш–памяти I, II и III уровня (в современных ЭВМ). Она хранит информацию при наличии питания даже без обращения к ней сколь угодно долго. Ячейки статической памяти реализуются на триггерах (устройствах с двумя устойчивыми состояниями). По сравнению с динамической памятью, эти ячейки более сложные и занимают больше места на кристалле, однако они проще в управлении и не требуют регенерации. Разновидности статической памяти – Async SRAM, Syns Burst SRAM и Pipelined Burst SRAM – рассмотрим с точки зрения применения в кэш–памяти.
Async SRAM, или A–SRAM (SRAM) – традиционная асинхронная статическая память. Микросхемы этого типа имеют интерфейс, содержащий шину адреса, шину данных и сигналы управления. Время доступа составляет 12, 15 или 20 нс на частоте системной шины до 33 МГц.
Sync Burst (SB) SRAM – синхронная статическая память, позволяющая вести пакетную операцию обмена, свойственную работе кэш–памяти. В её структуре есть внутренний двухбитный счётчик адреса.
Кроме перечисленных в пункте один шин, есть ещё сигналы для синхронизации с системной шиной и сигналы пакетной обработки. Время доступа – 8,5; 10 и 13,5 нс на частотах 66, 60 и 50 МГц.
Pipelined Burst SRAM (PB SRAM) – пакетно–конвейерная синхронная память. Конвейером является дополнительный внутренний регистр данных.
Интерфейс PB SRAM аналогичен интерфейсу SB SRAM, но есть задержка из–за синхронизирующего перепада.
Функции кэш–контроллера выполняет обычно чипсет.
Микросхемы хранения данных кэша организуются в банки, число микросхем в банке должно соответствовать разрядности системной шины процессора.
Банков может быть и несколько (в зависимости от кэш–памяти).
Для хранения тегов используется отдельная микросхема – Tag SRAM, а для тега, большего 8 бит – пара микросхем.
Необходимый объём памяти тегов (количество ячеек) можно вычислить, разделив объём установленной кэш–памяти на длину строки кэша, определяемой чипсетом (обычно она равна количеству байт, передаваемых за один стандартный пакетный цикл):
4 * 8 = 32 байт (для Pentium)
Микросхемы синхронной памяти используются с разрядностью 16 и
32 бит, а потому один банк для Pentium собирается из 4 или 2 микросхем.
Для системных плат с процессором Pentium широко распространены модули COAST (Cache on Stick) – это модули с двухсторонним печатным разъёмом. В них используется кэш–память и может быть память тегов. Она может использоваться как расширение кэша.