Оперативная память и ее принципы функционирования

динамическая памятьОбщеизвестен тот факт, что производительность компьютера на прямую зависит от объема установ­ленной на него оперативной памяти. Память лишней не быть не может — этот основной принцип, высказанный еще в конце 1940-х годов фон Нейманом, и по ныне остается очень актуальным. Поэтому на вопрос: «А сколько все же памяти нужно ставить на ПК?» — ответ  один: чем больше, тем лучше. Каких нибудь шесть лет назад для рабочих ПК вполне было достаточно 64-128 Мбайт оперативной памяти, теперь же нужно иметь не менее 2 Гбайт.

Впрочем, объем устанавливаемой оперативной памяти — это еще далеко не все. Если несколько лет назад доминирующее положение на рынке занимала память DDR2-400/533/667/800, то в 2010 году компьютерная индустрия завершит переход на DDR3. 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.

Оперативная память, которая также именуется RAM (Random Access Memory — па­мять с произвольным доступом), используется центральным процессором для совместного хранения данных и исполняемого программного кода. Отличительной особенностью RAM является ее быстродействие, которое очень важно для совре­менных процессоров. По принципам действия RAM 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 триггер- ная 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 считывании 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 (Memory Refresh), основанная на периодическом циклическом обращении к ячейкам памяти, гак 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.

В настоящее время динамическая память DRAM (Dynamic Random Access Memory) используется в качестве оперативной памяти компьютера, а статическая память SRAM (Static Random Access Memory) — для создания высокоскоростной кэш­памяти процессора.

Микросхемы динамической памяти организованы в виде квадратной матрицы, причем пересечение столбца и строки матрицы задает одну из элемен­тарных ячеек. При обращении к той или иной ячейке памяти необходимо задать адрес нужной строки и столбца. Задание адреса строки происходит, когда на входы матрицы памяти подается специальный стробирующий импульс RAS (Row Address Strobe), а задание адреса столбца — при подаче стробирующего импульса CAS (Column Address Strobe). При этом сигналами для выбора содержимого строки и столбца служат положительные фронты стробирующих импульсов. Импульсы RAS и С AS подаются последовательно друг за другом, причем импульс С AS всегда подается после RAS, то есть сначала происходит выбор строки, а затем выбор столбца. Сам адрес строки и столбца передается по специальной мультиплексиро­ванной шине адреса MA (Multiplexed Address).

Структурная схема динамической памяти

По логике организации DRAM-память может быть асинхронной и синхронной. При асинхронной организации памяти установка адреса, подача управляющих сигналов и чтение/запись данных могут выполняться в произвольные моменты времени — необходимо только соблюдение временных соотношений между этими сигналами. Синхронная организация памяти подразумевает, что имеется внешний синхросигнал, к импульсам которого жестко привязаны моменты подачи адресов и обмена данными.

Яндекс.Метрика