Типы оперативной памяти

Оперативная память (RAM, Random Access Memory, память произвольного доступа) — это энергозависимая среда, в которую загружаются и в которой находятся прикладные программы и данные в момент, пока вы с ними работаете. Когда вы заканчиваете работу, информация удаляется из оперативной памяти. Если необходимо обновление соответствующих дисковых данных, они перезаписываются. Это может происходить автоматически, но часто требует команды от пользователя. При выключении компьютера вся информация из оперативной памяти теряется.

В связи с этим трудно недооценить все значение оперативной памяти.

Хотя память значительно подешевела, модернизировать приходится ее намного чаще, чем несколько лет назад. В настоящее время новые типы памяти разрабатываются намного быстрее, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет устанавливать память нового типа, как никогда велика. От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит возможность, какими программами вы сможете на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно. Причем независимо от типа оперативная память ЭВМ является адресной. Это значит, что каждой, хранимой в памяти единице информации ставится в соответствие специальное число, а именно адрес, определяющий место его хранения в памяти. В современных ЭВМ различных типов, как правило, минимальной адресуемой единицей информации является байт (8-ми разрядный код). Более крупные единицы информации — это слово и производные: двойное слово, полуслово и т. д. (образуется из целого числа байт). Обычно слово соответствует формату данных, наиболее часто встречающихся в данной машине в качестве операндов. Часто формат слова соответствует ширине выборке из основной памяти.

Существуют несколько методов организации оперативной памяти:

• 1) Метод строк / колонок (Row/column). При данном методе адресации ОП, последняя представляет собой матрицу разделенную на строки и колонки. При обращении к ОП одна часть адреса определяет строку, а другая — колонку матрицы. Ячейка матрицы, оказавшаяся на пересечении выбранных строки и колонки считывается в память или обновляется ее содержимое.
• 2) Метод статических колонок (Static-column). При данном методе адресации ОП информация, относящаяся к какой-либо программе, размещается в определенной колонке. Последующее обращение к данной программе происходит в ту же самую колонку. За счет статичности части адреса (ее не надо передавать по адресной шине) доступ к данным осуществляется быстрее.
• 3) Метод чередования адресов (Interleaved), который впервые стал применяться в 386 моделях АТ компьютерах. Данный метод предполагает считывание (или запись) информации не по одному, а сразу по нескольким адресам: i, i+1, i+2 и т. д. Количество одновременно опрашиваемых адресов, по которым происходит считывание информации, определяет кратность чередования адресов, что соответствует количеству блоков ОП. На практике обычно используется 2-х или 4-х кратное чередование адресов, т. е. ОП делится на 2 или 4 блока. Запись информации в блоки осуществляется независимо друг от друга. Информация по адресу i хранится в первом блоке, по адресу i+1 — во втором блоке и т. д. Считываемая с блоков информация далее переписывается в кэш-память для последующей переработки.
• 4) Метод страничной организации (Page-mode). При данном методе организации память адресуется не по байтам, а по границам страниц. Размер страницы обычно равен 1 или 2 Кбайта. Данный метод предполагает наличие в системе кэш-памяти емкостью не менее 128 Кб куда предварительно считываются требуемые страницы ОП для последующей переработки МП или другим устройством. Обновленная информация периодически из кэш-памяти сбрасывается в ОП.

Последние два метода системной организации памяти предполагают обязательное наличие в системе сверх быстродействующей кэш-памяти для опережающего (read-ahaed) чтения в нее информации из ОП с последующей обработкой ее микропроцессором, что снижает время простоя последнего и повышает общую производительность системы. Динамическая оперативная память (Dynamic RAM — DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти персональных компьютеров. Основное преимущество этого типа памяти 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 большей емкости. Ячейки памяти в микросхеме DRAM — это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды.

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 имеет контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мкс.

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% процессорного времени, но в современных системах, 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 некоторых ячейках памяти заряд «стечет», а это вызовет сбой памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти.

Транзистор для каждого однозарядного регистра DRAM использует 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, к потере данных. С асинхронным интерфейсом процессор должен ожидать, пока DRAM закончит выполнение своих внутренних операций, которые обычно занимают около 60 нс. С синхронным управлением DRAM происходит защелкивание информации от процессора под управлением системных часов.

Триггеры запоминают адреса, сигналы управления и данных, что позволяет процессору выполнять другие задачи. После определенного количества циклов данные становятся доступны, и процессор может считывать их с выходных линий.

Другое преимущество синхронного интерфейса заключается в том, что системные часы задают только временные границы, необходимые DRAM. Это исключает необходимость наличия множества стробирующих импульсов. В результате упрощается ввод, т.к. контрольные сигналы адреса данных могут быть сохранены без участия процессора и временных задержек. Подобные преимущества также реализованы и в операциях вывода. Чтобы сократить время ожидания, стандартная память DRAM разбивается на страницы. Обычно для доступа к данным в памяти требуется выбрать строку и столбец адреса, что занимает некоторое время. Разбиение на страницы обеспечивает более быстрый доступ ко всем данным в пределах данной строки памяти, то есть изменяет не номер строки, а номер столбца. Такой режим доступа к данным памяти называется (быстрым) постраничным режимом (Fast Page Mode), а сама память — памятью Fast Page Mode. Другие вариации постраничного режима называются Static Column или Nibble Mode.

Страничная организация памяти — простая схема повышения эффективности памяти, в соответствии с которой память разбивается на страницы длиной от 512 байт до нескольких килобайтов. Электронная схема пролистывания позволяет при обращении к ячейкам памяти в пределах страницы уменьшить количество состояний ожидания. Если нужная ячейка памяти находится вне текущей страницы, то добавляется одно или больше состояний ожидания, так как система выбирает новую страницу. Чтобы увеличить скорость доступа к памяти, были разработаны другие схемы доступа к динамической оперативной памяти. Одним из наиболее существенных изменений было внедрение пакетного (burst) режима доступа в процессоре 486 и более поздних. Преимущества пакетного режима доступа проявляется в потому, что в большинстве случаев доступ к памяти является последовательным. После установки строки и столбца адреса в пакетном режиме можно обращаться к следующим трем смежным адресам без дополнительных состояний ожидания.

К первому поколению высокоскоростных DRAM главным образом относят EDO DRAM, SDRAM и RDRAM, а к следующему — ESDRAM, DDR SDRAM, Direct RDRAM, SLDRAM (ранее SynchLink DRAM) и т. д. Во время операции чтения данные в высокоскоростную кэш-память предварительно записываются из оперативной памяти с низким быстродействием, то есть из DRAM. Поэтому именно кэш-память позволяет сократить количество «простоев» и увеличить быстродействие компьютера в целом. Эффективность кэш-памяти выражается коэффициентом совпадения, или коэффициентом успеха. Коэффициент совпадения равен отношению количества удачных обращений в кэш к общему количеству обращений. Попадание — это событие состоящее в том, что необходимые процессору данные предварительно считываются в кэш из оперативной памяти; иначе говоря, в случае попадания процессор может считывать данные из кэш-памяти.

Неудачным обращением в кэш считается такое, при котором контроллер кэша не предусмотрел потребности в данных, находящихся по указанному абсолютному адресу.

В таком случае необходимые данные не были предварительно считаны в кэш-память, поэтому процессор должен отыскать их в более медленной оперативной памяти, а не в быстродействующем кэше.

Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в современных персональных компьютерах обычно предусмотрены два типа кэш-памяти: кэш-память первого уровня (L1) и кэш-память второго уровня (L2). Кэш-память первого уровня также называется встроенным, или внутренним кэшем; он непосредственно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора.

Кэш-память второго уровня называется вторичным, или внешним кэшем; он устанавливается вне микросхемы процессора.