Тема 2.5.1. Оперативная память. Назначение, типы, характеристики

Random Access Memory. Основные характеристики. 3 основных типа систем памяти

Оперативная память является одним из важнейших элементов компьютера. Именно из нее 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. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается.

Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (Random Access Memory, то есть память с произвольным доступом).

Трудно недооценить все значение и всю важность этих небольших по своим размерам плат.
Сегодняшние программы становятся все требовательнее не только к количеству, но и к быстродействию ОЗУ. Однако до недавнего времени эта область компьютерной индустрии практически не развивалась (по сравнению с другими направлениями). Взять хотя бы видео, аудиоподсистемы, производительность процессоров и. т. д. Усовершенствования были, но они не соответствовали темпам развития других компонентов и касались лишь таких параметров, как время выборки, был добавлен кэш непосредственно на модуль памяти, конвейерное исполнение запроса, изменен управляющий сигнал вывода данных, но технология производства оставалась прежней, исчерпавшей свой ресурс. Память становилась узким местом компьютера, а, как известно, быстродействие всей системы определяется быстродействием самого медленного ее элемента. И вот несколько лет назад волна технологического бума докатилась и до оперативной памяти. Стали появляться новые типы RAM микросхем и модулей.
Встречаются такие понятия, как FPM RAM, EDO RAM, DRAM, VRAM, WRAM, SGRAM, MDRAM, SDRAM, SDRAM II (DDR SDRAM), ESDRAM, SLDRAM, RDRAM, Concurrent RDRAM, Direct Rambus. Большинство из этих технологий используются лишь на графических платах, и в производстве системной памяти компьютера используются лишь некоторые из них.

Принцип работы оперативной памяти можно представить следующим образом. Поскольку ячейки организованы в виде двумерной матрицы, для получения доступа к той или иной ячейке необходимо указать адрес соответствующих строки и столбца. Для выбора адреса применяются импульсы RAS# (Row Access Strobe - стробирующий импульс доступа к строке) и CAS# (Column Acess Strobe - стробирующий импульс доступа к столбцу) при которых уровень сигнала (точнее, напряжение) изменяется с высокого на низкий. Эти импульсы синхронизированы с тактирующим импульсом, поэтому оперативная память также называется синхронной (SDRAM). Сначала подается сигнал активации необходимой строки, после чего - импульс RAS#, а затем - CAS#. При операции записи происходит то же самое, за исключением того, что в этом случае подается специальный импульс разрешения записи WE# (Write Enable), который также должен измениться с высокого на низкий. После завершения работы со всеми ячейками активной строки выполняется команда Precharge, позволяющая перейти к следующей строке. Существуют и другие сигналы, но в контексте данной статьи их можно не упоминать, чтобы неоправданно не усложнять материал.

Важнейшая характеристика памяти, от которой зависит производительность - это пропускная способность, которая выражается как произведение частоты системной шины на объем данных, передаваемых за каждый такт. В случае с памятью SDRAM мы имеет шину шириной 64 бита или 8 байт. Следовательно, к примеру, пропускная способность памяти типа DDR333 составляет 333 МГц х 8 Байт = 2, 7 Гбайта в секунду или 2700 Мбайт в секунду. Отсюда, кстати, и другое название памяти - PC2700, по ее пропускной способности в мегабайтах в секунду. В последнее время часто используется двухканальное подключение памяти, при котором теоретическая пропускная способность удваивается. То есть, в случае с двумя модулями DDR333 мы получим максимально возможную скорость обмена данных 5, 4 Гбайта/с.

Тем не менее, частота работы памяти и, следовательно, ее теоретическая пропускная способность не являются единственными параметрами, отвечающими за производительность. В действительности не менее важную роль играют и латентность памяти, то есть значения задержек между подачей команды и ее выполнением. Эти значения принято называть таймингами, которые выражаются в тактах, прошедших между поступлением какой-либо команды и ее реальным исполнением.Четыре важнейших тайминга, которые всегда используются при описании тех или иных модулей памяти - tRCD, tCL, tRP, tRAS (иногда дополнительно указывается и Command rate), причем записываются они обычно в этой же последовательности в виде 4-4-4-12-(1T) (цифры в данном случае произвольные). Аббревиатура tRCD расшифровывается как timе of RAS# to CAS# Delay - тайминг задержки между импульсами RAS# и CAS#. Сокращение tCL означает timе of CAS# Latency - тайминг задержки относительно импульса CAS# после подачи команды записи или чтения. tRP - это timе of Row Precharge: тайминг между завершением обработки строки и перехода к новой строке. Значение tRAS (time of Active to Precharge Delay) считается одним из основных параметров, поскольку он описывает время задержки между активацией строки и подачей команды Precharge, которой заканчивается работа с этой строкой. Наконец, параметр Command rate означает задержку между командой выбора конкретного чипа на модуле и командой активации строки; обычно эта задержка составляет не более одного-двух тактов.

Общее правило гласит: чем меньше тайминги при одной тактовой частоте, тем быстрее память. Более того, в целом ряде случаев быстрее оказывается память с меньшими таймингами, работающая даже на более низкой тактовой частоте. Все дело в том, что, как мы уже упоминали, оперативная память работает синхронно с системной шиной, поэтому память с частотой, не кратной частоте системной шины и с пропускной способностью, превышающей пропускную способность системной шины никаких преимуществ перед более дешевой не имеет. К примеру, системная шина современных процессоров Pentium 4 работает на частоте 800 МГц, что при ширине шины 64 бит обеспечивает максимальную пропускную способность в 6, 4 Гбайта в секунду. Оптимальным выбором для таких чипов является двухканальная память DDR2 400 с аналогичной пропускной способностью в те же 6, 4 Гбайта в секунду. Использование в двухканальном режиме более дорогих модулей типа DDR2 533/677 реальной прибавки в производительности вряд ли даст. Более того, в иных случаях есть смысл снизить рабочую частоту таких модулей, но добиться более низких таймингов. Это положительно скажется на производительности - чтобы убедиться в этом, достаточно " прогнать" различные тестовые программы.

Существует много различных видов оперативной памяти, но их все можно подразделить на две основные подгруппы - статическая память (Static RAM) и динамическая память (Dynamic RAM).

Эти два типа памяти отличаются, прежде всего, различной в корне технологической реализацией - SRAM будет хранить записанные данные до тех пор, пока не запишут новые или не отключат питание, а DRAM может хранить данные лишь небольшое время, после которого данные нужно восстановить (регенерировать), иначе они будут потеряны.

Рассмотрим достоинства и недостатки SRAM и DRAM:

Память типа DRAM, в силу своей технологии, имеет большую плотность размещения данных, чем SRAM.

DRAM гораздо дешевле SRAM, но последняя, производительнее и надежнее, поскольку всегда готова к считыванию.

Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти. Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (тритов) (чаще байтов (трайтов), зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM — sequential access memory). Фактически, микросхемы SRAM используются там, где необходимый объем памяти не очень велик, но высоки требования к быстродействию, а раз так, то оправдано использование дорогостоящих микросхем. В персональных компьютерах с процессорами, у которых не было интегрированной на кристалле кэш-памяти второго уровня, всегда использовались микросхемы SRAM внешнего кэша. Для удешевления системных плат и возможности их модернизации производители системных плат с процессорами 486 и первых поколений Pentium устанавливали специальные кроватки (разъемы для микросхем с DIP-корпусом), в которые можно было устанавливать различные микросхемы SRAM, отличающиеся как по быстродействию и объему памяти, так и различной разрядностью. Для конфигурирования памяти на системной плате предусматривался набор джамперов. Для справки прямо на системной плате краской наносилась информация об установке джамперов, например, как показано в табл.(в колонках JS1 и JS2 указаны номера контактов, которые надо замкнуть перемычками).

Пример таблицы конфигурирования кэш-памяти на системной плате: