Оперативная память

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области Профессионально-педагогический колледж Кафедра дизайна сервиса и информационных технологий Реферат по архитектуре ЭВМ На тему Оперативная память

Специальность 230 103 — Автоматизированные системы обработки информации и управления Екатеринбург 2009

• ОГЛАВЛЕНИЕ

Оперативная память Принципы функционирования памяти Память DDR SDRAM

Память DDR2 SDRAM

Память DDR3 SDRAM

GDDR

Проблема терминирования сигнала Заключение

Одним из важнейших устройств компьютера является оперативная память. По определению, данном в книге «Информатика в понятиях и терминах», ОЗУ — «функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде.» Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только «внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память». Именно из оперативной памяти процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память.

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре, созданных в сороковых — в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память.

Оперативная память

Общеизвестно, что производительность компьютера зависит от объема установленной оперативной памяти. Память лишней не бывает — этот базовый принцип, высказанный еще в конце 1940;х годов фон Нейманом, остается актуальным и сегодня. Поэтому на вопрос «Сколько памяти нужно ставить?» ответ прост: чем больше, тем лучше. Шесть лет назад для рабочих ПК вполне хватало 64—128 Мбайт оперативной памяти, теперь же нужно иметь уже как минимум 512 Мбайт. Связано это, прежде всего, с наметившейся тенденцией смещения приложений в сторону их мультимедийности.

Впрочем, объем устанавливаемой оперативной памяти — это еще не все. Если несколько лет назад доминирующее положение на рынке занимала память РС 100, а позднее РС 133 8ЕаАМ, то сейчас существует несколько различных типов памяти: DDR/333/400/533 ЗОНАМ, ОiЭК2−400/533/667/800, а к 2009 году аналитики прогнозируют господство ОО1{3. Поэтому актуальным становится вопрос о выборе типа устанавливаемой памяти.

В этой главе мы проведем краткий ликбез по различным типам и технологиям памяти и рассмотрим основные различия типов памяти между собой. Однако, чтобы разобраться во всех этих достижениях научной мысли, нам придется сделать небольшое отступление и рассказать о главных принципах функционирования оперативной памяти и об истории ее развития.

Принципы функционирования памяти

Оперативная память, которая также именуется RАМ (Random Access Memory— память с произвольным доступом), используется центральным процессором для совместного хранения данных и исполняемого программного кода. Отличительной особенностью RАМ является ее быстродействие, которое очень важно для современных процессоров. По принципам действия RАМ можно разделить на динамическую и статическую. Различие между этими типами памяти заключается в принципе хранения информации.

Поскольку элементарной единицей информации является бит, оперативную память можно рассматривать как некий набор ячеек, каждая из которых может хранить один информационный бит. Различие между динамической и статической памятью заключается в конструктивных особенностях элементарных ячеек для хранения отдельных битов.

В статической памяти ячейки построены на различных вариантах триггеров — транзисторных схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в одном из этих состояний и сохранять записанный бит сколь угодно долго — необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти — статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками — высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает немало места на кристалле. К примеру, микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы более чем из 24 млн. транзисторов, потребляя соответствующую мощность.

В динамической памяти элементарная ячейка представляет собой конденсатор, выполненный по КМОП-технологии. Такой конденсатор способен в течение некоторого, хотя и очень малого, промежутка времени сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. Упрощая, можно сказать, что при записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля — разряжается. При считьтвании данных каждый конденсатор разряжается (через схему считывания), и если заряд конденсатора был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Кроме того, поскольку при считывании конденсатор разряжается, его необходимо зарядить до прежнего значения. Поэтому процесс считывания (обращения к ячейке) сочетается с подзарядкой конденсаторов, то есть с регенерацией заряда. К тому же, если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то со временем за счет токов утечки конденсатор разряжается (неизбежный физический процесс) — и информация теряется. Вследствие этого память на основе массива конденсаторов требует постоянного периодического подзаряда конденсаторов. Для компенсации утечки заряда применяется регенерация, основанная на периодическом циклическом обращении к ячейкам памяти, так как каждое такое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора. Регенерация в микросхеме происходит одновременно по всей строке матрицы при обращении к любой из ее ячеек, то есть достаточно циклически перебрать все строки. К достоинствам динамической памяти относятся высокая удельная плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам — низкое быстродействие по сравнению со статической памятью.

Память DDR SDRAM

Самый простой способ увеличения максимальной пропускной способности памяти заключается в увеличении частоты ее работы. Однако на практике реализовать это совсем не просто. Вспомним, что элементарной ячейкой динамической памяти является конденсатор — инерционное по своей природе устройство. Чтобы произвести считывание информации с конденсатора, необходимо его разрядить, для чего требуется определенное время, пропорциональное емкости конденсатора, сделать это мгновенно невозможно. Следовательно, нельзя повышать частоту ядра памяти до бесконечности. Кроме того, динамическая память требует периодической регенерации, чтобы восстанавливать заряды конденсаторов, а для зарядки конденсаторов тоже необходим определенный временной интервал. В результате повышение частоты ядра памяти сопряжено с непреодолимыми трудностями. Конечно, применение более миниатюрных конденсаторов повышает их быстро‚действие, однако для этого нужно использовать иную проектную норму при производстве чинов памяти. К тому же переход на новый технологический процесс производства не может кардинально увеличить скорость работы памяти.

Поэтому, кроме банального увеличения частоты работы памяти, для увеличения ее пропускной способности часто используют иные приемы. О некоторых из них, таких как пакетный режим передачи и организация чередующихся банков, мы уже упоминали. Однако более кардинальным способом увеличения пропускной способности памяти стал переход к стандарту DDR. Синхронная динамическая память DDRA SDRAM пришла на смену SDRAM и обеспечивает в два раза большую пропускную способность. Аббревиатура DDR (Double Data Rate) в названии памяти означает удвоенную скорость передачи данных. Аналогично обычную SDRAM-память называют SDR (Single Data Rate), то есть памятью с одинарной скоростью передачи.

Как уже отмечалось, основным сдерживающим элементом увеличения тактовой частоты работы памяти является само ядро памяти (массив элементов хранения). Однако, кроме ядра памяти, в модуле присутствуют и буферы промежуточного хранения (I/О logiс), через которые ядро памяти обменивается данными с шиной памяти. Эти буферы имеют значительно более высокое быстродействие нежели само ядро, поэтому тактовую частоту работы самой шины памяти и буферов обмена можно легко увеличить. Именно такой способ и используется в DDR-памяти.

В обычной SDRAM-памяти ядро и буферы обмена работают в синхронном режиме на одной и той же частоте. Передача каждого бита из буфера происходит с каждым тактом работы ядра памяти

В DDR-памяти каждый буфер ввода-вывода передает два бита за один такт, то есть фактически работает на удвоенной тактовой частоте, оставаясь при этом полностью синхронизированным с ядром памяти. Однако, чтобы такой режим работы стан нения). возможным, необходимо, чтобы эти два бита были доступны буферу ввода—вывода на каждом такте работы памяти. Для этого требуется, чтобы каждая команда чтения приводила к передаче из ядра памяти в буфер сразу двух бит. Для этого используются две независимые линии передачи от ядра памяти к буферам ввода-вывода. Из буфера ввода-вывода биты затем поступают на шину данных в требуемом порядке.

Поскольку при таком способе организации работы памяти происходит предвыборка двух бит перед передачей их на шину данных, этот способ также называет Рrекаждым fetch 2 (предвыборка 2).

Чтобы синхронизировать работу ядра памяти и буферов ввода-вывода, используется одна и та же тактовая частота (одни и те же тактирующие импульсы). Только если в самом ядре памяти синхронизация осуществляется по положительному фронту тактирующего импульса, то в буфере ввода-вывода для синхронизации используется как положительный, так и отрицательный фронт тактирующего импульса (рис. 3.7). Таким образом, передача двух бит в буфер ввода-вывода по двум раздельным линиям осуществляется по положительному фронту тактирующего импульса, а их выдача на шину данных происходит как по положительному, так и по отрицательному фронтам тактирующего импульса. Это обеспечивает в два раза более высокую скорость работы буфера и, соответственно, вдвое большую пропускную способность памяти.

Все же остальные принципиальные моменты DDR-памяти не изменились: структура нескольких независимых банков позволяет совмещать выборку данных из одного банка с установкой адреса в другом банке, то есть можно одновременно иметь две открытые страницы. доступ к этим страницам чередуется (Bank interleaving), что приводит к устранению задержек и обеспечивает создание непрерывного потока данных.

DDR-память настраивается в процессе работы путем установки соответствующих регистров, как и SDRAM-память. Кроме того, DDR-память, как и SDRAM, предназначена для работы с системными частотами 100 и 133, 166 и 200,216,250 и 266 МГц DDR-память, работающую на частоте 100 МГц, иногда обозначают как DDR2ОО, подразумевая при этом, что <<�эффективная>> частота памяти составляет 200 МГц (данные передаются два раза за такт). Аналогично, при работе памяти на частоте 133 МГц используют обозначение DDR266, при частоте 166 МГц — DDRЗЗЗ, при частоте 200 МГц — DDR400 и т. д. Нетрудно рассчитать и пропускную способность DDR-памяти. Учитывая, что ширина шины данных составляет 8 байт, для памяти DDR2ОО получим 200 МГц х 8 байт = 1,6 Гбайт/с, для памяти DDR266 — 2,1 Гбайт/с, для DDR333 — 2,7 Гбайт/с, для DDR4ОО — 3,2 Гбайт/с, для DDR433 — 3,5 Гбайт/с, для DDR500 — 4,0 Гбайт/с, для DDR5ЗЗ — 4,3 Гбайт/с.

ПРИМЕЧАНИЕ Хотя обозначение типа DDR200, DDR266, DDR333 и т. д. кажется вполне логичным и понятным, официально принято другое обозначение этой памяти. В названии используется не 4эффективная" частота, а пиковая пропускная способность, то есть память DDR200 обозначается как DDR РС 1600, DDR2б6 — как DDR РС2100, DDRЗЗЗ — как РС2700, а DDR4ОО — то есть как РСЗ2ОО.

Кроме частоты, память, как уже отмечалось, характеризуется схемой тайминга (tCL>tRCD>tRp). для памяти DDR2ОО тайминг всегда 2−2-2, а вот для остальных типов памяти тайминг может быть различным, К примеру, встречаются тайминги 3−3-3, 2,5−3-3, 2−3-3 и 2,5−2-2.

В настоящее время память DDR4ОО является наиболее распространенной. Кроме того, во всех современных чипсетах частота шины памяти не превосходит 400 МГц, а память типа DDR433, DDR500 и DDR5ЗЗ является нестандартизированной.

Возникает логичный вопрос: если эти типы памяти не поддерживаются материнскими платами и не стандартизированы, то зачем они вообще нужны?

Дело в том, что память типа DDR433, DDR500 и DDR533 отличается от остальных типов памяти только способностью работать на более высоких частотах ядра памяти. Это, во-первых, не препятствует ее использованию и на более низких частотах, а во-вторых, позволяет применять при разгоне системы. Кроме того, при использовании этих типов памяти на частоте 400 МГц возможно уменьшение таймингов памяти (идеальный случай соответствует таймингу 2−2-2), что можно рассматривать как своеобразный разгон памяти.

Память DDR2 SDRAM

Если следовать терминологии SDR (Single Data Rate) и DDR (Double Data Rate), то память DDR2 было бы логично назвать QDR (Quadra Data Rate), так как этот стандарт подразумевает в четыре раза большую скорость передачи. То есть в стандарте DDR2 при пакетном режиме доступа данные передаются четыре раза за один такт. Для организации данного режима работы памяти необходимо, чтобы буфер ввода-вывода работал на учетверенной частоте по сравнению с частотой ядра памяти. Достигается это следующим образом: ядро памяти, как и прежде, синхронизируется по положительному фронту тактирующих импульсов и с приходом каждого такого положительного фронта по четырем независимым линиям передает в буфер ввода-вывода четыре бита информации (выборка четырех битов за такт). Сам буфер ввода-вывода тактируется на удвоенной частоте ядра памяти и синхронизируется как по положительному, так и по отрицательному фронту этой частоты. То есть с приходом положительного и отрицательного фронта происходит передача информации в мультиплекспом режиме на шину данных (рис. 3.8). Это позволяет за каждый такт работы ядра памяти передавать четыре бита на шину данных, то есть вчетверо повысить пропускную способность памяти.

По сравнению с DDR, память DDR2 позволяет обеспечить ту же пропускную способность, но при вдвое меньшей частоте ядра. К примеру, в памяти DDR4ОО ядро функционирует на частоте 200 МГц, а в памяти DDR2−400 — на частоте 100 МГц. В этом смысле память DDR2 имеет значительно большие потенциальные возможности для увеличения пропускной способности по сравнению с памятью DDR

Память DDR3 SDRAM

Память DDRЗ является логическим развитием стандарта DDR2. Стандарт DDRЗ был принят летом 2007 года, однако многие производители еще до официального утверждения спецификации успели представить новые модули. Как уже неоднократно упоминалось, основную долю рынка этот стандарт завоюет к 2009 году.

Эффективная частота работы DDRЗ-памяти будет составлять от 800 до 1600 МГц. Кроме увеличенной пропускной способности, память IЛЖЗ будет также выгодно отличаться и уменьшенным энергопотреблением. Так, если модули DDR-памяти работают при напряжении питания 2,5 В, а модули DDR2 — при 1,8 В, то модули DDRЗ функционируют при напряжении питания 1,5 В (на 16,5% меньше, чем для памяти DDR2). Снижение напряжения питания достигается за счет использования 90-нанометрового техпроцесса производства микросхем памяти и применения транзисторов с двойным затвором (Dual gate), что способствует снижению токов утечки.

Ожидается, что первоначально емкость модулей памяти DDRЗ составит 1 Гбайт, а впоследствии появятся модули памяти емкостью 2 и 4 Гбайт.

Для памяти DDRЗ будет реализована 8-банковая логическая структура, а размер страницы составит 1 Кбайт для чинов с шиной х4 и х8 и 2 Кбайт для чинов с шиной х16.

Принципиальное отличие памяти DDRЗ от DDR2 заключается в реализации механизма 8nРrefeth вместо 4nPrefeth.

Для организации данного режима работы памяти необходимо, чтобы буфер вводавывода (мультиплексор) работал на частоте в 8 раз большей по сравнению с частотой ядра памяти. достигается это следующим образом: ядро памяти, как и прежде, синхронизируется по положительному фронту тактирующих импульсов, а с приходом каждого положительного фронта по восьми независимым линиям в буфер ввода-вывода (мультиплексор) передаются 8п бит информации (выборка 8n бит за такт). Сам буфер ввода-вывода тактируется на учетверенной частоте ядра памяти и синхронизируется как по положительному, так и по отрицательному фронту данной частоты. Это позволяет за каждый такт работы ядра памяти передавать восемь слов на шину данных, то есть в восемь раз повысить пропускную способность памяти.

По сравнению с DDR2, память DDRЗ позволяет обеспечить ту же пропускную способность при вдвое меньшей частоте ядра. К примеру, в памяти DDR2−800 ядро функционирует на частоте 200 МГц, а в памяти DDR3−800 — на частоте 100 МГц (рис. 3.9).

Понятно, что в случае реализации архитектуры 8n-Рrefeth длина пакета (Burst Length) данных не может быть менее 8. Поэтому для памяти DDR2 минимальная длина пакета составляет 8.

Упрощенная временная диаграмма работы DDRЗ-памяти для ВL=8, tRRD = 2, tRSD = З и tСL. = 2 показана на рис. 3.10.

Конечно, реализация механизма 8n-Рrefeth вместо 4n-Ргefeth это не единственное различие между памятью DDR и DDR2. Другими нововведениями, реализованными в памяти DDRЗ, являются технология динамического терминирования сигналов (dynamic On-Die Termination ОDT) и новая технология калибровки сигналов.

Технология динамического терминирования сигналов позволяет гибко оптимизировать значения терминальных сопротивлений в зависимости от условий загрузки памяти.

GDDR

Как известно, оперативная память применяется для нужд не только центрального процессора, но и графического процессора. В современных графических видеокартах используется так называемая графическая память, микросхемы которой распаиваются на плате графической карты. Аналогично тому, что существуют различные типы оперативной памяти (SDR, DDR, DDR2 и DDR3), графическая память так же бывает разной. Чтобы отличать оперативную память от графической, последнюю снабжают обозначением <>. Так, бывает память 2, GDDRЗ и GDDR4. Несмотря на схожие названия (GDDR2 и DDR2, GDDR3 и DDRЗ), графическая ‚память существенно отличается от оперативной.

Отметим, что впервые графическая память GDDR2 (Graphics Double Data Rate 2) была использована компанией NVIDIA в видеокарте на базе процессора GeForse FХ 5800. В то же время по принципу действия графическая память GDDR2 не имеет ничего общего с памятью DDR2 и в этом смысле более схожа с памятью DDR. В частности, в памяти GDDR2 не используется технология 4n-Ргеfeth, когда буфер ввода-вывода данных работает на удвоенной частоте. От обычной DDR-памяти GDDR2 отличается более высокими тактовыми частотами, требованиями к напряжению и способами терминирования сигналов.

Память GDDRЗ (Graphics Double Data Rate З) была разработана компанией АТI, однако впервые использовалась на видеокартах с графическим процессором NVIDIA GeForse FX 5700 Ultra.

Эта память также не имеет никакого отношения к DDRЗ и по принципу действия более схожа с памятью DDR2, отличаясь от нее тактовыми частотами, требованиями к напряжению и способами терминирования сигналов. В памяти GDDR3, как и в DDR2, используется технология 4n-Ргеfeth.

Память GDDR4 (Graphics Double Data Rate, version 4) сегодня широко применяется в видеокартах с процессорами АТI Radeon Х195ОХТХ и Раdeon НD 2600 ХТ. Эта память является своеобразным аналогом DDRЗ в том смысле, что в ней реализован механизм 8n-Prefeth.

Проблема терминирования сигнала

Распространение любого сигнала вдоль шины неизбежно приводит к его частичному отражению от любых неоднородностей вдоль пути распространения. Для того чтобы такого отражения сигнала не происходило, необходимо, чтобы, во-первых, на пути распространения сигнала не было неоднородностей, во-вторых, чтобы сам путь был бесконечным. Понятно, что на практике такие условия нереализуемы, и отражение сигнала всегда присутствует. Отраженный сигнал интерферирует с основным сигналом, что приводит к искажению последнего. Поэтому одной из основных задач является уменьшение отраженного сигнала.

Одно из решений, используемых для предотвращения отражения сигнала, заключается во введении шунтирующих сопротивлений, образующих заглушку или терминатор. Шунтирующее сопротивление устанавливается на конце шины, по которой распространяется сигнал, и заземляется. Такая заглушка полностью поглощает сигнал и предотвращает его отражение. В случае DDR-памяти терминальные сопротивления устанавливаются на самой материнской плате. Такой подход позволяет устранить отражения, которые могли бы возникнуть на конце самой шины, однако не решает проблемы возникновения отражений от неоднородностей, связанных с наличием нескольких слотов для установки модулей памяти.

В случае памяти DDR2 используется принципиально иной метод терминирования сигналов, получивший название ОDT (Оn-Die-Termination). В данном случае терминальные сопротивления устанавливаются непосредственно на самих модулях памяти, а для того, чтобы предотвратить поглощение сигнала в активном модуле памяти, используется технология отключения терминальных сопротивлений от активных модулей.

Хранение команды САS в буфере эквивалентно введению дополнительной задержки (Аdditive Latensy, АL), поэтому данный способ известен также как Аdditive Latensy, AL или способ отложенного чтения (Рrоsted САS).

В DDR-памяти при операциях записи контроллер может осуществлять запись в любую ячейку в пределах открытой строки, причем задержка записи (Write Latensy, WL) данных относительно сигнала САS (выбора столбца) составляет один такт. В памяти DDR2 задержка записи определяется несколько иначе, она на один такт меньше задержки на чтение (Read Latensy, RL): WL = RL-1T. Если, к примеру, RL = 7, то ‚WL. = 6.

Заключение

Установка дополнительной памяти на системной плате — несложный способ увеличить объем памяти компьютера. Большинство систем имеет хотя бы один незанятый банк памяти, в который можно установить дополнительную память, и таким образом повысить производительность компьютера.