Оперативная память – это область памяти, с которой процессор интенсивно взаимодействует во время работы компьютера. В ней (после загрузки) хранятся активные программы и данные, используемые в течение одного сеанса работы компьютера. Перед выключением компьютера или перед нажатием кнопки сброса (Reset) результаты работы (полученные данные) необходимо сохранить в энергонезависимом запоминающем устройстве (например, на жестком диске).

Эта глава посвящена структурно-функциональной и логической организации оперативной памяти. В ней рассматриваются принципы построения, функционирования и основные характеристики ОЗУ; структура оперативной памяти, разбивка ее на области и назначение этих областей; основные типы микросхем ОЗУ, модули оперативной памяти и т.д.

Элементы памяти

Название "динамические ОЗУ" обусловлено элементами памяти, в качестве которых используются конденсаторы небольшой емкости, способные, как показано ниже, хранить заряд. В реальных условиях конденсатор разряжается и требуется постоянная периодическая его подзарядка. Поэтому память на основе емкостных элементов является динамической памятью, чем она принципиально отличается от статической памяти, реализуемой на бистабильных ячейках, способных хранить информацию при включенном питании сколь угодно долго. Таким образом, динамическое хранение данных означает прежде всего возможность многократной записи информации в оперативную память, а также необходимость периодического (примерно через каждые 15 мс) обновления, или перезаписи, данных.

При использовании емкостных элементов памяти удается на одном кристалле размещать миллионы ячеек и получать самую дешевую полупроводниковую память достаточно высокого быстродействия с умеренным энергопотреблением. Благодаря этому динамические ОЗУ являются основной памятью компьютера.

О возможности использования конденсатора как элемента памяти. Идеальный конденсатор представляет собой двухполюсник, заряд которого Q является линейной функцией напряжения U (рис. 10.1,а ). Если к идеальному конденсатору С через ключ К подвести напряжение U от источника ЭДС (рис. 10.1,6), то на конденсаторе появится постоянный заряд Q в соответствии с вольт-кулонной характеристикой (рис. 10.1,а). При постоянстве заряда (Q = const) ток в цепи не протекает (/= AQ/At= 0), поэтому размыкание ключа (рис. 10.1,в) не изменит состояния конденсатора С, т.е. на конденсаторе по-прежнему останутся 0 = const и U= const. Следовательно, конденсатор обладает способностью хранить заряд Qw напряжение U.

Рис. 10.1. Вольт-кулонная характеристика идеального конденсатора (а), его состояние при замкнутом (б) и разомкнутом (в) ключе К, схема разряда конденсатора С через резистор R (г)

Реальные конденсаторы обладают потерями, кроме того, для реализации режимов записи и считывания к конденсаторам подключаются внешние цепи, которые также имеют потери. Потери моделируются активным сопротивлением R , подключенным параллельно конденсатору С (рис. 10.1,г). В этих условиях при размыкании ключа К в цепи на рис. 10.1,5 через резистор R начнет протекать ток / (рис. 10.1,г) и накопленная в конденсаторе С энергия электрического поля будет преобразовываться в тепловую энергию, выделяемую на резисторе R. В процессе разряда конденсатор теряет свой заряд, и напряжение на его полюсах уменьшается. Поэтому, как отмечалось выше, использование конденсаторов в качестве элементов памяти требует периодического восстановления (регенерации) напряжения.

О реализации емкостного элемента памяти. Основой для построения емкостных элементов памяти служат МОП- транзисторы. В настоящее время широкое распространение получили однотранзисторные структуры, которые помимо емкостного элемента памяти располагают средством подключения его к разрядной шине. Структура однотранзисторного элемента памяти изображена на рис. 10.2,а и представляет собой n-МОП-транзистор, в котором сток, выполненный из поликремния, не имеет внешнего вывода. Сток транзистора образует одну обкладку конденсатора, подложка – другую. Диэлектриком между обкладками служит тонкий слой оксида кремния Si О 2. Структура исток – затвор – сток выполняет функции транзисторного ключа. Схема элемента памяти приведена на рис. 10.2,6.

Однотранзисторный емкостной элемент памяти проще элемента памяти статического ОЗУ, содержащего 6 транзисторов (рис. 10.2,а ). Благодаря тому что на кристалле удается разместить больше элементов памяти, динамические ОЗУ имеют значительно большую емкость памяти, чем их статические аналоги.

Рис. 10.2. Структура элемента памяти динамического ОЗУ (а) и его эквивалентная схема (б)

Работа элемента памяти в динамическом ОЗУ. Использование емкостных элементов памяти в ЗУ отражается на структуре накопителя. Помимо элементов памяти накопитель содержит дополнительные узлы и компоненты, обеспечивающие необходимые условия для нормачьного его функционирования. Для рассмотрения принципов работы элемента памяти в динамическом ОЗУ воспользуемся схемой, представленной на рис. 10.3,а. Затворы транзисторных ключей элементов памяти подключаются к адресным шинам (строкам), истоки – к разрядным шинам (столбцам).

При отсутствии напряжения на адресной шине транзистор УТ 1 заперт и конденсатор Сэп элемента памяти отключен от разрядной шины. Элемент памяти работает в режиме хранения.

При поступлении напряжения на адресную шину и, следовательно, на затвор транзисторного ключа VT 1 элемент памяти подсоединяется к разрядной шине. В зависимости от значения сигнала чтения/записи возможно два режима работы емкостного элемента памяти.

В режиме записи с помощью управляющих сигналов, подаваемых на затворы транзисторных ключей VT 3 или VT 4, в элемент памяти можно записать соответственно логические нуль или единицу. При этом логическому нулю соответствует нулевое значение напряжения на конденсаторе Сэп, логической единице – напряжение, равное Е.

Рис. 10.3.

В режиме считывания в силу большой протяженности разрядной шины и большого числа различных элементов, подключенных к ней, шина обладает емкостью СY, многократно превышающей емкость Сэп элемента памяти. Для считывания информации с разрядной шины при подключении к ней емкостного элемента памяти необходимо располагать точным значением напряжения на шине. Поэтому перед считыванием на разрядную шину подается фиксированное напряжение, равное напряжению источника питания Е или Е/ 2, для подзаряда емкости Су. После этого элемент памяти подключается к разрядной шине.

Анализ показывает , что:

• при считывании на элементе памяти происходит изменение напряжения на ±рЕ/ 2, где р = Сэп/Сусчитывание является разрушающим процессом и требует восстановления исходной информации;
• напряжение на разрядной шине в режиме считывания изменяется в незначительных пределах , что затрудняет точную фиксацию хранимых в элементе памяти данных.

Для преодоления указанных недостатков принимают следующие меры:

• для восстановления заряда элемента памяти вводят циклы регенерации;
• увеличивают емкость СЭп элемента памяти, например, путем использования диэлектрика с бо́льшим значением диэлектрической проницаемости;
• уменьшают емкость C yразрядной шины едва раза путем разделения ее на две подушины;
• для считывания используют высокочувствительные дифференциальные усилители с положительной обратной связью – усилители- регенераторы.

Динамическая оперативная память (Dynamic RAM - DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти современных ПК. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки очень плотно упакованы, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно организовать память большой емкости.

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. 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 имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы, однако он может быть встроен и в процессор, как в процессорах Athlon 64 и Opteron), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мс. Это означает, что каждые 15 мс прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора. Каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько тактов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах эти расходы составляют менее 1%. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы настройки BIOS. Интервал между циклами обновления называется tREF и задается не в миллисекундах, а в тактах. Очень важно понимать, что увеличение значения интервала между циклами обновления для повышения быстродействия системы может привести к случайным произвольным ошибкам.

Произвольная ошибка - это ошибка обработки данных, не связанная с дефектом микросхемы памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью программы Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры.

В устройствах DRAM для хранения одного бита используются только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время уже выпускаются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 4 Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более миллиарда транзисторов! А ведь процессор Core 2 Duo имеет только 230 млн. транзисторов. Откуда такая разница? Дело в том, что в микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последовательно, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур, в отличие от процессора, представляющего собой более сложную схему различных структур, не имеющую четкой организации.

Транзистор каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана единица; если заряда нет - записан нуль. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, поэтому память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приводит к потере заряда в ячейке DRAM, а, следовательно, и к потере данных. В работающей системе это приводит к появлению “синего экрана смерти”, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы.

Типы ОЗУ и производительность

В вопросах производительности памяти наблюдается некоторая путаница, поскольку обычно она измеряется в наносекундах, в то время как быстродействие процессоров - в мегагерцах и гигагерцах. В новых быстродействующих модулях памяти быстродействие измеряется в мегагерцах, что дополнительно усложняет ситуацию. К счастью, перевести одни единицы измерения в другие не составляет труда.

Наносекунда - это одна миллиардная доля секунды, т.е. очень короткий промежуток времени. В частности, скорость света в вакууме равна 299 792 км/с, т.е. за одну миллиардную долю секунды световой луч проходит расстояние, равное всего 29,98 см, т.е. меньше длины обычной линейки.

Быстродействие микросхем памяти и систем в целом выражается в мегагерцах (МГц), т.е. в миллионах тактов в секунду, или же в гигагерцах (ГГц), т.е. в миллиардах тактов в секунду. Современные процессоры имеют тактовую частоту от 2 до 4 ГГц, хотя гораздо большее влияние на их производительность оказывает их внутренняя архитектура (например, многоядерность).

При увеличении тактовой частоты продолжительность цикла уменьшается. В ходе эволюции компьютеров для повышения эффективности обращения к памяти создавались различные уровни кэширования, позволяющие перехватывать обращения процессора к более медленной основной памяти. Только недавно модули памяти DDR, DDR2 и DDR3 SDRAM сравняли свою производительность с шиной процессора. Когда частоты шин процессора и памяти равны, производительность памяти становится оптимальной для конкретной системы.

К 2000 году скорость шины процессора и памяти увеличилась до 100 и даже 133 МГц (эти модули назывались PC100 и PC133 соответственно). В начале 2001 года быстродействие памяти удвоилось и стало равным 200 и 266 МГц; в 2002 году выпускались модули памяти DDR со скоростью 333 МГц, а в 2003 году - 400 и 533 МГц. В 2005 и 2006 годах рост быстродействия памяти соответствовал росту скорости шины процессора - от 667 до 800 МГц. В 2007 году скорость памяти DDR2 была доведена до 1066 МГц, и одновременно с этим была выпущена память DDR3 с такой же и более высокой частотой. В таблице ниже перечислены основные типы модулей памяти и их быстродействие.

Тип памяти Пик популярности Тип модуля Напряжение Макс. частота, МГц Одноканальная, Мбайт/с Двухканальная, Мбайт/с FPM DRAM 1987-1995 30/72-контактный SIMM 5 В 22 177 - EDO DRAM 1995-1998 72-контактный SIMM 5 В 33 266 - SDR DRAM 1998-2002 168-контактный DIMM 3,3 В 133 1066 - Rambus DRAM 2000-2002 184-контактный RIMM 2,5 В 1066 2133 4266 DDR SDRAM 2002-2005 184-контактный DIMM 2,5 В 400 3200 6400 DDR2 SDRAM 2005-2008 240-контактный DDR2 DIMM 1,8 В 1066 8533 17066 DDR3 SDRAM 2008+ 240-контактный DDR3 DIMM 1,5 В 1600 12800 25600

EDO. Extended Data Out (расширенные возможности вывода данных).

DIMM. Dual Inline Memory Module (модуль памяти с двухрядным расположением выводов).

DDR. Double Data Rate (удвоенная скорость передачи данных).

FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).

SIMM. Single Inline Memory Module (модуль памяти с однорядным расположением выводов).

RIMM. Rambus Inline Memory Module (модуль памяти стандарта Rambus).

Быстродействие памяти

При замене неисправного модуля или микросхемы памяти новый элемент должен быть того же типа. Обычно проблемы возникают при использовании микросхем или модулей, не удовлетворяющих определенным (не слишком многочисленным) требованиям, например к длительности циклов регенерации. Можно также столкнуться с несоответствием в разводках выводов, емкости, разрядности или конструкции. Если вы не знаете, какие модули памяти позволяет использовать материнская плата, обратитесь к документации.

При установке более быстродействующих модулей памяти производительность компьютера, как правило, не повышается, поскольку система обращается к ней с прежней частотой. В системах, использующих модули DIMM и RIMM, быстродействие и прочие временные характеристики считываются из специального ПЗУ SPD, установленного на модуле. После этого контроллер памяти конфигурируется с применением этих параметров. Производительность таких систем можно повышать, устанавливая более скоростные модули памяти, вплоть до предела, поддерживаемого набором микросхем системной логики.

Чтобы акцентировать внимание на проблемах синхронизации и надежности, Intel и JEDEC создали стандарты для высокоскоростных модулей памяти, определяющие их типы, удовлетворяющие определенным уровням быстродействия. Согласно этим стандартам и выполняется классификация модулей памяти по временным характеристикам.

Основными признаками недостаточного быстродействия памяти или ее несоответствия временным характеристикам системы являются ошибки памяти и четности, а также “зависание” и неустойчивая работа системы. В этом случае тест POST также может выдать ошибки. Если точно не известно, какие модули памяти допустимы для вашей системы, свяжитесь с производителем компьютера и постарайтесь приобрести модули памяти от хорошо зарекомендовавшего себя поставщика.

Контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC)

Ошибки при хранении информации в оперативной памяти неизбежны. Они обычно классифицируются как аппаратные отказы и нерегулярные ошибки (сбои).

Если нормально функционирующая микросхема вследствие, например, физического повреждения начинает работать неправильно, то это называется аппаратным отказом. Чтобы устранить данный тип отказа, обычно требуется заменить некоторую часть аппаратных средств памяти, например неисправную микросхему, модуль SIMM или DIMM.

Другой, более коварный тип отказа - нерегулярная ошибка (сбой). Это непостоянный отказ, который не происходит при повторении условий функционирования или через регулярные интервалы. (Такие отказы обычно “лечатся” выключением питания компьютера и последующим его включением.)

Приблизительно 20 лет назад сотрудники Intel установили, что причиной сбоев являются альфа-частицы. Поскольку альфа-частицы не могут проникнуть даже через тонкий лист бумаги, выяснилось, что их источником служит вещество, используемое в полупроводниках. При исследовании были обнаружены частицы тория и урана в пластмассовых и керамических корпусах микросхем, применявшихся в те годы. Изменив технологический процесс, производители памяти избавились от этих примесей.

В настоящее время производители памяти почти полностью устранили источники альфа-частиц. В связи с этим многие производители модулей памяти исключили из своей продукции поддержку проверки четности, несмотря на то что от сбоев памяти не удалось избавиться полностью. Более поздние исследования показали, что альфа-частицы охватывают лишь малую долю причин сбоев памяти.

Сегодня самая главная причина нерегулярных ошибок - космические лучи. Поскольку они имеют очень большую проникающую способность, от них практически невозможно защититься с помощью экранирования. Этот тезис был подтвержден рядом исследований, проведенных компанией IBM под руководством доктора Дж.Ф. Зиглера.

Эксперимент по проверке степени влияния космических лучей на появление ошибок в работе микросхем показал, что соотношение “сигнал–ошибка” (Signal-to-Error Ratio - SER) для некоторых модулей DRAM составило 5950 единиц интенсивности отказов (Failure Units - FU) на миллиард часов наработки для каждой микросхемы. Измерения проводились в условиях, приближенных к реальным, с учетом длительности в несколько миллионов машино-часов. В среднестатистическом компьютере это означало бы появление программной ошибки памяти примерно каждые шесть месяцев. В серверных системах или мощных рабочих станциях с большим объемом установленной оперативной памяти подобная статистика указывает на одну ошибку (или даже более) в работе памяти каждый месяц! Когда тестовая система с теми же модулями DIMM была размещена в надежном убежище на глубине более 15 метров под слоем каменной породы, что полностью устраняет влияние космических лучей, программные ошибки в работе памяти вообще не были зафиксированы. Эксперимент продемонстрировал не только опасность влияния космических лучей, но и доказал, насколько эффективно устранять влияние альфа-лучей и радиоактивных примесей в оболочках модулей памяти.

Ошибки, вызванные космическими лучами, представляют большую опасность для модулей SRAM, чем для DRAM, поскольку заряд, необходимый для хранения одного бита в ячейке SRAM, гораздо меньше емкости конденсатора в DRAM. Космические лучи также представляют большую опасность для микросхем памяти с повышенной плотностью. Чем выше плотность ячеек памяти, тем выше вероятность того, что космический луч заденет такую ячейку. С ростом объема памяти увеличивается и частота ошибок.

К сожалению, производители ПК не признали это причиной погрешностей памяти. Случайную природу сбоя намного легче оправдать разрядом электростатического электричества, большими выбросами мощности или неустойчивой работой программного обеспечения (например, использованием новой версии операционной системы или большой прикладной программы). Исследования показали, что для систем ECC доля программных ошибок в 30 раз больше, чем аппаратных. И это неудивительно, учитывая вредное влияние космических лучей. Количество ошибок зависит от числа установленных модулей памяти и их объема. Программные ошибки могут случаться и раз в месяц, и несколько раз в неделю, и даже чаще.

Хотя космические лучи и радиация являются причиной большинства программных ошибок памяти, существуют и другие факторы.

Скачки в энергоснабжении или шум на линии. Причиной может быть неисправный блок питания или настенная розетка.

Использование памяти с некорректным типом или характеристиками. Тип памяти должен поддерживаться конкретным набором микросхем и обладать определенной этим набором скоростью доступа.

Статические разряды. Вызывают моментальные скачки в энергоснабжении, что может повлиять на целостность данных.

Ошибки синхронизации. Не поступившие своевременно данные могут стать причиной появления программных ошибок. Зачастую причина заключается в неверных параметрах BIOS, оперативной памяти, быстродействие которой ниже, чем требуется системе, разогнанных процессорах и прочих системных компонентах.

Тепловыделение. Скоростные модули памяти характеризуются более высокими рабочими температурами, чем модули устаревших типов. Первыми модулями, оснащенными теплорассеивателями, оказались модули RDRAM RIMM; сейчас теплорассеивателями оснащены многие производительные модули DDR2 и DDR3, так как это единственный способ борьбы с повышенным уровнем тепловыделения.

Большинство описанных проблем не приводят к прекращению работы микросхем памяти (хотя некачественное энергоснабжение или статическое электричество могут физически их повредить), однако могут повлиять на хранимые данные.

Игнорирование сбоев, конечно, - не лучший способ борьбы с ними. Для повышения отказоустойчивости в современных компьютерах применяются такие методы как контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC).

Системы без контроля четности вообще не обеспечивают отказоустойчивость. Единственная причина, по которой они используются, - их минимальная базовая стоимость. При этом, в отличие от других технологий, не требуется дополнительная оперативная память. Байт данных с контролем четности включает в себя 9, а не 8 бит, поэтому стоимость памяти с контролем четности выше примерно на 12,5%. Кроме того, контроллеры памяти, не требующие логических мостов для подсчета данных четности или ECC, обладают упрощенной внутренней архитектурой. Портативные системы, для которых вопрос минимального энергопотребления особенно важен, выигрывают от уменьшенного энергоснабжения памяти благодаря использованию меньшего количества микросхем DRAM. И наконец, шина данных памяти без контроля четности имеет меньшую разрядность, что выражается в сокращении количества буферов данных. Статистическая вероятность возникновения ошибок памяти в современных настольных компьютерах составляет примерно одну ошибку в несколько месяцев. При этом количество ошибок зависит от объема и типа используемой памяти.

Подобный уровень ошибок может оказаться приемлемым для обычных компьютеров, не используемых для работы с важными приложениями. В этом случае цена играет основную роль, а дополнительная стоимость модулей памяти с поддержкой контроля четности и кода ECC себя не оправдывает, поэтому легче смириться с нечастыми ошибками.

Контроль четности

Это один из введенных IBM стандартов, в соответствии с которым информация в банках памяти хранится фрагментами по 9 бит, причем восемь из них (составляющих один байт) предназначены собственно для данных, а девятый является битом четности. Использование девятого бита позволяет схемам управления памятью на аппаратном уровне контролировать целостность каждого байта данных. Если обнаруживается ошибка, работа компьютера останавливается, а на экран выводится сообщение о неисправности. Если вы работаете на компьютере под управлением Windows или OS/2, то при возникновении ошибки контроля четности сообщение, возможно, не появится, а просто произойдет блокировка системы. После перезагрузки система BIOS должна идентифицировать ошибку и выдать соответствующее сообщение.

Модули SIMM и DIMM поставляются как с поддержкой битов четности, так и без нее.

Первые ПК использовали память с контролем четности для регулировки точности осуществляемых операций. Начиная с 1994 года на рынке ПК стала развиваться тревожная тенденция. Большинство компаний начали предлагать компьютеры с памятью без контроля четности и вообще без каких бы то ни было средств определения или исправления ошибок. Применение модулей SIMM без контроля четности сокращало стоимость памяти на 10–15%. В свою очередь, память с контролем четности обходилась дороже за счет применения дополнительных битов четности. Технология контроля четности не позволяет исправлять системные ошибки, однако предоставляет пользователю компьютера возможность их обнаружить, что имеет следующие преимущества:

контроль четности защищает от последствий неверных вычислений на базе некорректных данных;

контроль четности точно указывает на источник возникновения ошибок, помогая разобраться в проблеме и улучшая степень эксплуатационной надежности компьютера.

Для реализации поддержки памяти с контролем четности или без него не требуется особых усилий. В частности, внедрить поддержку контроля четности для системной платы не составит труда. Основные затраты внедрения связаны со стоимостью самих модулей памяти с контролем четности. Если покупатели готовы пойти на дополнительные затраты для повышения надежности заказываемых систем, производители компьютеров могут предоставить им такую возможность.

Схема проверки четности

При разработке стандарта контроля четности IBM определила, что значение бита четности задается таким, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах (восемь разрядов данных и разряд четности) было нечетным. Другими словами, когда байт (8 бит) данных заносится в память, специальная схема контроля четности (микросхема, установленная на системной плате или на плате памяти) подсчитывает количество единиц в байте. Если оно четное, на выходе микросхемы формируется сигнал логической единицы, который сохраняется в соответствующем разряде памяти как девятый бит (бит четности). Общее количество единиц во всех девяти разрядах при этом становится нечетным. Если же количество единиц в восьми разрядах исходных данных нечетное, то бит четности равен нулю, и сумма двоичных цифр в девяти разрядах также остается нечетной.

Рассмотрим конкретный пример (имейте в виду, что разряды в байте нумеруются с нуля, т.е. 0, 1, 2, ..., 7).

Значение бита: 1 0 1 1 0 0 1 1 0

В данном случае общее число единичных битов данных нечетное (5), поэтому бит четности должен быть равен нулю.

Рассмотрим еще один пример.

Разряд данных: 0 1 2 3 4 5 6 7 бит чётности

Значение бита: 0 0 1 1 0 0 1 1 1

В этом примере общее число единичных битов данных четное (4), поэтому бит четности должен быть равен единице, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах было нечетным.

При считывании из памяти та же самая микросхема проверяет информацию на четность. Если в 9-разрядном байте число единиц четное, значит, при считывании или записи данных произошла ошибка. Определить, в каком разряде она произошла, невозможно (нельзя даже выяснить количество испорченных разрядов). Более того, если сбой произошел в трех разрядах (в нечетном их количестве), то ошибка будет зафиксирована; однако при двух ошибочных разрядах (или четном их количестве) сбой не регистрируется. Поскольку одновременная ошибка в нескольких разрядах одного байта крайне маловероятна, такая схема проверки была недорогой и при этом позволяла с большой вероятностью определять ошибки в памяти.

При обнаружении ошибки схема контроля четности на системной плате формирует немаскируемое прерывание (NMI) - системное предупреждение, которое программы не могут проигнорировать. Основная работа прекращается и инициируется специальная процедура, записанная в BIOS.

Еще несколько лет назад, когда память была дорогой, некоторые компании выпускали модули SIMM с фиктивными микросхемами проверки четности. Вместо того чтобы хранить биты четности для каждого байта памяти, эти микросхемы генерировали всегда корректный бит дополнения. Таким образом, когда система пыталась записать бит четности, он попросту отбрасывался, а при считывании байта всегда подставлялся “нужный” бит четности. В результате система всегда получала информацию о корректной работе памяти, хотя на самом деле все могло быть далеко не так.

Такие мошеннические действия были вызваны дороговизной микросхем памяти, и производители были готовы переплатить пару лишних долларов на генератор, чтобы не платить за более дорогую микросхему, хранящую биты четности. К сожалению, определить наличие в модуле памяти такого генератора было достаточно сложно. Поддельный генератор четности внешне отличался от обычных микросхем памяти и имел маркировку, отличную от других микросхем модуля. Большинство из генераторов имели логотип “GSM”, который указывал на изготовителя логического устройства проверки четности, часто отличавшегося от компании, выпустившей сам модуль памяти.

Единственным инструментом, позволявшим выявить модули с поддельным контролем четности, были аппаратные тестеры. Сейчас же цены на память упали, что устранило первопричину подобных махинаций.

Код коррекции ошибок

Коды коррекции ошибок (Error Correcting Code - ECC) позволяют не только обнаружить ошибку, но и исправить ее в одном разряде. Поэтому компьютер, в котором используются подобные коды, в случае ошибки в одном разряде может работать без прерывания, причем данные не будут искажены. Коды коррекции ошибок в большинстве ПК позволяют только обнаруживать, но не исправлять ошибки в двух разрядах. В то же время приблизительно 98% сбоев памяти вызвано именно ошибкой в одном разряде, т.е. она успешно исправляется с помощью данного типа кодов. Данный тип ECC получил название SEC_DED (эта аббревиатура расшифровывается как “одноразрядная коррекция, двухразрядное обнаружение ошибок”).

В кодах коррекции ошибок этого типа для каждых 32 бит требуется дополнительно семь контрольных разрядов при 4-байтовой и восемь - при 8-байтовой организации (64-разрядные процессоры Athlon/Pentium). Реализация кода коррекции ошибок при 4-байтовой организации, естественно, дороже обычной проверки четности, но при 8-байтовой организации их стоимости равны, поскольку требуют одного и того же количества дополнительных разрядов.

Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. При чтении из памяти такой контроллер сравнивает прочитанные и вычисленные значения контрольных разрядов и при необходимости исправляет испорченный бит (или биты). Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но это может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ожидать завершения вычисления контрольных разрядов. При записи части слова вначале следует прочитать полное слово, затем перезаписать изменяемые байты и только после этого - новые вычисленные контрольные разряды.

В большинстве случаев сбой памяти происходит в одном разряде, и потому такие ошибки успешно исправляются с помощью кода коррекции ошибок. Использование отказоустойчивой памяти обеспечивает высокую надежность компьютера. Память с кодом ECC предназначена для серверов, рабочих станций или приложений, в которых потенциальная стоимость ошибки вычислений значительно превышает дополнительные средства, вкладываемые в оборудование, а также временные затраты системы. Если данные имеют особое значение, и компьютеры применяются для решения важных задач, без памяти ECC не обойтись. По сути, ни один уважающий себя системный инженер не будет использовать сервер, даже самый неприхотливый, без памяти ECC.

Пользователи имеют выбор между системами без контроля четности, с контролем четности и с ECC, т.е. между желательным уровнем отказоустойчивости компьютера и степенью ценности используемых данных.

Вывод

Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но это может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ожидать завершения вычисления контрольных разрядов.

Использование отказоустойчивой памяти обеспечивает высокую надежность компьютера. Память с кодом ECC предназначена для серверов, рабочих станций или приложений, в которых потенциальная стоимость ошибки вычислений значительно превышает дополнительные средства, вкладываемые в оборудование, а также временные затраты системы. Если данные имеют особое значение, и компьютеры применяются для решения важных задач, без памяти ECC не обойтись.

В синхронной памяти все процессы при выполнении операций записи и чтения данных согласованы во времени с тактовой частотой центрального процессора (или системной шины), т.е. память и центральный процессор работают синхронно без циклов ожидания. Информация передается в пакетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс.

Память типа SDRAM. Рассмотрим основные особенности синхронной динамической памяти SDRAM.

Состав и назначение сигналов. В состав сигналов синхронной памяти входят сигналы RAS #, CAS #, WE #, MA #, которые выполняют те же функции, что и в асинхронной динамической памяти. Помимо приведенных сигналов используются сигналы, свойственные только динамической памяти SDRAM. К ним относятся:

• CLK (Clock) – тактовые импульсы синхронизации, действующие по положительному перепаду (0 → 1);
• СКЕ (Clock Enable) – разрешение/запрещение синхронизации при СКЕ= 1/0. Отсутствие синхроимпульсов уменьшает энергопотребление памяти. Переход в режим с пониженным энергопотреблением осуществляется с помощью специальных команд при СКЕ= 0. Следует выделить три режима :

■ режим пониженного потребления (Power Down Mode), реализующийся командами NOP или INHBT. В этих режимах микросхема памяти не воспринимает управляющих команд. Длительность пребывания в них ограничена периодом регенерации;

■ режим приостановки синхронизации (Clock Suspend Mode), в котором отсутствует передача данных и не воспринимаются новые команды. В этот режим микросхема переходит во время выполнения команды чтения или записи при установке сигнала СКЕ=0;

■ режим саморегенерации, в который микросхема переходит по команде Self Refresh. В этом режиме периодически выполняются циклы регенерации по внутреннему таймеру при отключенной внешней синхронизации;

• CS # (Chip Select) – выбор микросхемы. При CS# = 0 разрешается декодирование команд; при CS # = 1 декодирование команд запрещается, однако выполнение начатых команд продолжается;
• BSO, BSl (Bank Select) или ВA 0, ВA 1 (Bank Address) – выбор банка, к которому адресуется команда;
• Д и А 1 задают адрес столбца, сигнал А 10 = 1 включает режим автопредзаряда. В циклах Precharge сигнал A 10=1 включает режим предзаряда всех банков независимо от значений сигналов 550, 551;
• DQ (Data Input/Output) – двунаправленные линии ввода-вывода данных;
• DQM (Data Mask) – маскирование данных. В цикле чтения при DQM= 1 шина данных через два такта переводится в высокоимпедансное состояние (отключается). В цикле записи при DQM – 1 запрещается запись текущих данных, при DQM = 0 разрешается запись без задержки.

Микросхемы SDRAM располагают двумя или более банками, а также счетчиками адреса столбцов. К достоинствам синхронного интерфейса SDRAM следует отнести то, что в сочетании с внутренней мультибанковой организацией он способен обеспечить высокую производительность памяти при частых обращениях.

В памяти SDRAM имеется возможность активизации строк в нескольких банках. Каждая строка активизируется своей командой ACT во время выполнения любой операции с другим банком. После активизации строки выбранного банка при записи и чтении строку можно закрывать не сразу, а после выполнения серии обращений к ее элементам. Для обращения к открытой строке требуемого банка используются команды чтения RD и записи WR, в которых указаны адрес столбца и номер банка. Можно так организовать процессы записи/чтения, что шина данных в каждом такте будет нести очередную порцию данных для серии обращений к разным областям памяти. Так как дтя обращений не требуются команды активизации, они будут выполняться быстрее. С помощью сигнала выборки микросхемы CS# можно держать открытыми строки в банках разных микросхем, объединенных общей шиной памяти.

С помощью счетчика весьма просто реализуется пакетный режим работы. При инициализации могут быть запрограммированы длина пакета (1, 2, 4, 8 элементов), порядок адресов в пакете (чередующийся или линейный) и операционный режим (пакетный режим для всех операций или только для чтения). С помощью сигнала DQM = 1 в режиме записи осуществляется блокирование записи любого элемента пакета, а в режиме чтения – перевод в высокоимпедансное состояние буфера данных.

Благодаря исключению циклов ожидания, чередованию адресов, пакетному режиму, трехступенчатой конвейерной адресации удалось сократить время рабочего цикла микросхемы до 8...10 нс (1: 10 нс = 100 МГц) и повысить скорость передачи данных до 800 Мбайт/с при тактовой частоте системной шины 100 МГц.

Память типа DDR SDRAM (Dual Data Rate – удвоенная скорость данных). Основная особенность памяти DDR по отношению к обычной SDRAM состоит в том, что переключение данных производится по фронту и срезу тактовых импульсов системной шины. Это дает возможность выполнить два обращения за тактовый интервал и повысить быстродействие в два раза. При передаче данных по фронту и срезу импульсов синхронизации к временным параметрам управляющих сигналов и данных предъявляются повышенные требования. Для их удовлетворения приняты следующие меры: введен стробирующий сигнал DQS; используются два синхроимпульса CLK1 и CLK2, а также дополнительные аппаратные средства. В отличие от обычных микросхем SDRAM, у которых данные для записи передаются одновременно с командой, в DDR SDRAM данные для записи подаются с задержкой на один такт (Write Latency). Значение CAS Latency может быть дробным (CL = 2, 2,5, 3).

На частоте 100 МГц DDR SDRAM имеет пиковую производительность 200 Мбит на один вывод (пин), что в составе 8-байтных модулей DIMM соответствует производительности 1600 Мбайт/с. На частоте 133 МГц производительность составляет 2100 Мбайт/с.

Память типа RDRAM. В 1992 г. американская фирма Rambus приступила к разработке нового типа памяти, которая получила название RDRAM (Rambus DRAM). Запоминающее ядро этой памяти построено на обычных КМОП-ячейках динамической памяти. Однако интерфейс памяти существенным образом отличался от традиционного синхронного интерфейса. Высокоскоростной интерфейс Rambus RDRAM обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 600 Мбайт/с через шину данных разрядностью 1 байт. Эффективная пропускная способность достигает величины 480 Мбайт/с, что в 10 раз превышает аналогичный показатель для устройств EDO DRAM. Время доступа к ряду ячеек памяти составляет менее 2 нс в расчете на байт, а время задержки (время доступа к первому байту массива данных) – 23 нс. При обмене большими массивами данных память Rambus является оптимальным вариантом в смысле отношения производительность/стоимость . Дальнейшим развитием стал интерфейс Direct DRAM, или просто DDRAM, с 16-разрядной (18-разрядной для микросхем с битами контроля) шиной данных. Память RDRAM используется в высокопроизводительных персональных компьютерах с 1999 г. и поддерживается в наборах микросхем системной логики.

Структура подсистемы памяти RDRAM состоит из контроллера памяти, капала и собственно микросхем памяти (рис. 10.9).

Память RDRAM по отношению к другим типам памяти (FPM/EDO и SDRAM) имеет следующие отличительные особенности:

• является устройством с узким каналом передачи данных. Количество данных, передаваемых за один такт, составляет всего 16 бит, не считая двух дополнительных битов контроля по четности;
• благодаря небольшому числу (30) линий канала и специально принятым мерам по их расположению тактовая частота канала увеличена

Рис. 10.9.

до 400 МГц, что обеспечивает производительность, равную 16x400x2/8 = 1600 Мбайт/с (с учетом передачи данных по фронту и срезу синхроимпульсов). Для повышения производительности можно использовать двух- и четырехканальные RDRAM, которые позволяют увеличить скорость передачи данных до 3,2 или 6,4 Мбайт/с соответственно. Двухканальная память РС800 RDRAM, используемая в настоящее время, является наиболее быстрым типом памяти (ненамного опережая РС2100 DDR SDRAM);

• передача адреса ячейки происходит по отдельным шинам: одна – для адреса строки, другая – для адреса столбца. Передача адресов осуществляется последовательными пакетами. В процессе работы RDRAM выполняется конвейерная выборка из памяти, причем адрес может передаваться одновременно с данными;
• для повышения производительности было предложено еще одно конструктивное решение: передача управляющей информации отделена от передачи данных по шине. Для этого предусмотрены независимые схемы управления и выделены две группы шин: адресные шины для команд выбора строки и столбца и информационная шина для передачи данных шириной 2 байта;
• потребляет мало энергии. Напряжение питания модулей памяти R1MM, как и устройств RDRAM, достигает только 2,5 В. Напряжение низковольтного сигнала изменяется от 1,0 до 1,8 В, т.е. перепад напряжений равен 0,8 В. Кроме того, RDRAM имеет четыре режима пониженного потребления энергии и может автоматически переходить в режим ожидания на завершающей стадии транзакции, что позволяет еще больше экономить потребляемую мощность.

Память с виртуальными каналами – VC SDRAM. Назначение памяти. В современном компьютере доступ к оперативной памяти осуществляется различными устройствами. Одни из устройств (программы, которые выполняются параллельно в многозадачной операционной системе) бронируют для себя определенные области памяти. Такие устройства, как процессор, IDE- и SCSI-контроллеры, звуковые карты и видеокарты AGP и другие, обращаются к оперативной памяти напрямую. При одновременном обращении к памяти нескольких устройств происходит задержка их обслуживания. Для устранения этого недостатка была разработана специальная архитектура модуля памяти, включающая в себя 16 независимых каналов памяти. Каждому устройству (программе) для обращения к памяти выделен отдельный канал.

Архитектура памяти. Особенность архитектуры памяти с виртуальными каналами (Virtual Channel Memory Architecture) состоит в том, что между массивом запоминающих ячеек и внешним интерфейсом микросхемы памяти размещено 16 канальных буферов (рис. 10.10). В виртуальные каналы могут объединяться несколько буферов. По составу и уровням сигналов микросхемы VC SDRAM (Virtual Channel SDRAM) аналогичны обычным SDRAM (имеют внешнюю организацию по 4, 8 или 16 бит данных), однако отличаются структурой, системой команд и рядом других показателей. Микросхема содержит два банка (А и В), выполненных в виде квадратной матрицы. Каждая строка матрицы разбивается на 4 сегмента. Для микросхемы емкостью 128 Мбит размер матрицы составляет 8К х 8К, строка имеет объем 8К бит, а сегмент – 2К бит. Емкость канального буфера также составляет 2К бит. За одно обращение к матрице выполняется параллельная передача 2К бит данных между одним из буферов и сегментом выбранной строки. Микросхемы устанавливаются в 168-контактный модуль DIMM.

Организация обмена. Операции обмена данными разделяются на две фазы:

внешний обмен данными между источником информации и канальным буфером. Эта фаза обмена осуществляется через контроллер памяти (на рис. 10.10 не показан) и выполняется по командам чтения и записи (READ и WRITE), в которых указывается номер канала и адрес столбца. Обмен происходит в пакетном режиме. Длина пакета программируется и может составлять 1, 2, 4, 8 или 16 передач (элементов). Первые данные при чтении канала появляются с задержкой в 2 такта относительно команды чтения, следующие идут в каждом такте;

Рис. 10.10.

внутренний обмен данными между каналами и массивом запоминающих ячеек. Обмен протекает в такой последовательности:

■ с помощью команд предвыборки PRFA и сохранения RSTA, поступающих сразу после обращения к массиву памяти, автоматически осуществляется деактивизация строк (предварительный заряд). Для деактивизации выбранного банка и обоих банков сразу можно использовать специальные команды;

■ по команде ACT, которая задает банк (А или В) и адрес строки, активизируется требуемая строка матрицы;

■ командами PRF (Prefetch) и RST (Restore) реализуется чтение массива в буфер и сохранение данных буфера в массиве. В командах указывается номер банка, номер сегмента и номер канала.

Обе фазы обмена выполняются по командам со стороны внешнего интерфейса почти независимо друг от друга. Список используемых команд приведен в табл. 10.1.

Регенерация VC DRAM выполняется периодической подачей команд REF (авторегенерация по внутреннему счетчику адреса регенерируемых строк) либо в энергосберегающем режиме саморегенерации, в который микросхемы переходят по команде SELF.

Многие современные Chipset поддерживают модули DIMM VCM SDRAM.

Следует отметить, что возможность использования того или иного типа памяти определяется чипсетом системной платы.

Как уже отмечалось, информация в ячейке динамического ОЗУ представлена в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе. Схема ячейки памяти ЯП динамического ЗУ на одном МОП–транзисторе с индуцируемым p-каналом представлена на рис. 6.6 (выделена пунктирной линией). На схеме также показаны общие элементы для n -ячеек одного столбца. Главное достоинство этой схемы — малая занимаемая площадь. Накопительный конденсатор C 1 имеет МДП-структуру и изготавливается в едином технологическом цикле. Величина его емкости составляет сотые доли пикоФарад. Конденсатор C 1 хранит информационный заряд. Транзистор VT 1 выполняет роль переключателя, передающего заряд конденсатора в разрядную шину данных ШД при считывании, либо заряжающего конденсатор при записи. В режиме хранения на адресной линии должен присутствовать потенциал логической единицы, под действием которого транзистор VT 1 будет закрыт (U зи VT 1 ?0) и конденсатор C 1 отключен от шины данных ШД . Включение конденсатора в шину данных осуществляется логическим нулем на линии . При этом на транзистор VT 1 подается напряжение U зи. VT 1 <0, что приводит к его открыванию.

Рис. 6.6. Принципиальная схема ячейки ОЗУ динамического типа с элементами записи и усилителя считывания.

Поскольку шина данных ШД объединяет все ячейки памяти данного столбца, то она характеризуется большой длиной и ее собственная емкость имеет существенное значение. Поэтому при открывании транзистора VT 1 потенциал шины данных изменяется незначительно. Чтобы установившийся потенциал на ШД однозначно идентифицировать с уровнем напряжения логического нуля или логической единицы, используется усилитель на базе транзистора VT 2 и резистора R . Непосредственно перед считыванием емкость шины данных подзаряжают подключением ее к источнику питания через транзистор VT 4. Делается это для фиксации потенциала шины данных. При считывании информации происходит перераспределение заряда конденсатора и заряда шины данных, в результате чего информация, хранимая на конденсаторе С 1, разрушается. Поэтому в цикле считывания необходимо произвести восстановление (регенерацию) заряда конденсатора. Для этих целей, а также для записи в ячейку памяти новых значений, используются транзисторы VT 3 и VT 4, которые подключают шину данных либо к источнику питания, либо к нулевому общему потенциалу. Для записи в ячейку памяти логической единицы необходимо открыть транзистор VT4 нулевым значением управляющего сигнала «» и подключить к шине данных источник питания. Для записи логического нуля необходимо нулевым потенциалом на входе «» открыть транзистор VT3. Одновременная подача логических нулей на входы «» и «» не допускается, так как это вызовет короткое замыкание источника питания на общий провод заземления.

На рис. 6.7 показан пример структуры микросхемы динамического ОЗУ емкостью 64кбит. Данные в этой микросхеме памяти представлены как 64к отдельных бит, т.е. формат памяти 64к?1. Ввод и вывод осуществляется раздельно, для чего предусмотрена пара выводов DI (вход) и DО (выход). Для ввода адреса имеется восемь контактов A 0 — A 7. Адресация к 64к ячейкам памяти осуществляется шестнадцатиразрядными адресами A 0 — A 15 . Причем сначала на входы A 0-A 7 подаются восемь младших разрядов А 0 – А 7 адреса, а затем – восемь старших разрядов А 8 – А 15 . Восемь младших разрядов адреса фиксируются в регистре адреса строки подачей сигнала (сигнал выборки строки). Восемь старших разрядов адреса фиксируются в регистре адреса столбца подачей сигнала (сигнал выборки столбца). Такой режим передачи кода адреса называется мультиплексированным по времени. Мультиплексирование позволяет сократить количество выводов микросхемы. Ячейки памяти расположены в виде матрицы из 128 строк и 512 столбцов. Дешифратором строк вырабатывается адресный сигнал выборки ячеек памяти i -ой строки, т.е. выбирается одна из 128 строк. Обращение к строке вызывает подключение 512 ячеек памяти через соответствующие разрядные шины данных ШД этой строки к усилителям считывания (по одному на столбец). При этом автоматически происходит подзаряд запоминающих конденсаторов всех ячеек памяти выбранной строки до исходного уровня за счет передачи усиленного сигнала по цепи обратной связи. Этот процесс называется регенерацией памяти . Дешифратор столбцов выбирает один из 512 усилителей считывания. Бит, выбранный в режиме считывания, выдается на линию DО . Если одновременно с сигналом при предварительно установленном сигнале действует сигнал записи , то бит с входа DI будет записан в выбранную ячейку памяти, при этом выход DО микросхемы остается в отключенном состоянии в течение всего цикла записи.

Рис. 6.7. Структура микросхемы ОЗУ динамического типа.

На рис. 6.8 представлены временные диаграммы, поясняющие работу динамического ОЗУ. В режиме считывания (рис. 6.8,а ) на адресные входы микросхемы подаются восемь младших разрядов А 0 – А 7 адреса, после чего вырабатывается сигнал , при этом производится выбор строки матрицы в соответствии с поступившим адресом. У всех ячеек памяти выбранной строки регенерируется заряд конденсаторов. Далее производится подача на адресные входы микросхемы восьми старших разрядов адреса, после чего вырабатывается сигнал . Этим сигналом выбирается нужная ячейка памяти из выбранной строки и считанный бит информации поступает на выход микросхемы DО . В режиме считывания промежуток времени между подачей сигнала и появлением данных на выходе DО называется временем выборки t в .

Рис. 6.8.Временная диаграмма работы ОЗУ динамического типа.

В режиме записи (рис. 6.8,б ) за время цикла записи t цз принимается интервал времени между появлением сигнала и окончанием сигнала . В момент появления сигнала записываемые данные уже должны поступать на вход DI . Сигнал обычно вырабатывается раньше сигнала .

Для каждого типа микросхем динамических ОЗУ в справочниках приводятся временные параметры, регламентирующие длительность управляющих сигналов, подаваемых на микросхему, а также порядок их взаимного следования.

Заряд конденсатора динамического ОЗУ со временем уменьшается вследствие утечки, поэтому для сохранения содержимого памяти процесс регенерации каждой ячейки памяти должен производится через определенное время. Следовательно, для предотвращения разряда запоминающих конденсаторов необходимо обращаться к каждой строке матрицы через определенное время. При обычном режиме работы ОЗУ это условие не соблюдается, так как обращение к одним ячейкам происходит часто, а к другим очень редко. Поэтому необходим специальный блок, ответственный за регенерацию памяти. Этот блок должен при отсутствии обращений к ОЗУ со стороны внешних устройств циклически формировать на адресных входах A 0-A 6 значения всех возможных адресов, сопровождая каждый из них управляющим сигналом , т.е. производить циклическое обращение ко всем 128 строкам матрицы ячеек памяти. Регенерацию необходимо проводить и в те моменты времени, когда ОЗУ используется устройствами, приостанавливая на время регенерации взаимодействие ОЗУ с этими устройствами, т.е. путем перевода этих устройств в режим ожидания.

Из изложенного выше следует, что использование динамического ОЗУ требует довольно сложной схемы управления. Если учесть, что обращение к ОЗУ со стороны устройств, с которыми оно работает, и обращение со стороны схемы регенерации не зависят друг от друга, следовательно, могут возникать одновременно, то необходима схема, обеспечивающая упорядоченность этих обращений. Для этих целей существуют схемы, управляющие работой динамических ОЗУ. Это так называемые контроллеры динамического ОЗУ, реализованные на одном кристалле. Их использование позволяет значительно упростить построение памяти на динамических ОЗУ.

Лидером в производстве микросхем динамического ОЗУ на сегодняшний день является фирма Samsung. Емкость одной микросхемы DRAM достигает значения 128 Мбайт и более. Кроме того, этой фирмой предлагается ряд передовых идей по обеспечению наибольшего быстродействия. Например, операции чтения и записи выполняются дважды за один такт – по переднему и заднему фронтам тактового импульса. Фирмой Mitsubishi предложена концепция встраивания в микросхемы динамической памяти статической кэш-памяти небольшого объема (Cashed DRAM), в которой хранятся наиболее часто запрашиваемые данные.

Динамическая оперативная память

Динамическая оперативная память (DRAM – Dynamic Random Access Memory) – энергозависимая полупроводниковая память с произвольным доступом. На данный момент – это основной тип оперативной памяти, используемый в современных персональных компьютерах и обеспечивающий наилучший показатель отношения цена-качество по сравнению с другими типами оперативной памяти. Однако, требования к быстродействию, энергопотреблению и надежности оперативной памяти постоянно растут, и динамическая оперативная память уже с трудом соответствует современным потребностям, так что в ближайшие годы стоит ожидать появления серийно выпускаемых конкурирующих типов оперативной памяти, таких как магниторезистивная оперативная память.

1. Устройство динамической оперативной памяти.

Динамическая оперативная память (DRAM – Dynamic Random Access Memory) – энергозависимая память с произвольным доступом, каждая ячейка которой состоит из одного конденсатора и нескольких транзисторов. Конденсатор хранит один бит данных, а транзисторы играют роль ключей, удерживающих заряд в конденсаторе и разрешающих доступ к конденсатору при чтении и записи данных.

Однако транзисторы и конденсатор – неидеальные, и на практике заряд с конденсатора достаточно быстро истекает. Поэтому периодически, несколько десятков раз в секунду, приходится дозаряжать конденсатор. К тому же процесс чтения данных из динамической памяти – деструктивен, то есть при чтении конденсатор разряжается, и необходимо его заново подзаряжать, чтобы не потерять навсегда данные, хранящиеся в ячейке памяти.

На практике существуют разные способы реализации динамической памяти. Упрощенная структурная схема одного из способов реализации приведена на рисунке 1.

Как видно из рисунка, основным блоком памяти является матрица памяти, состоящая из множества ячеек, каждая из которых хранит 1 бит информации.

Каждая ячейка состоит из одного конденсатора (С) и трех транзисторов. Транзистор VT1 разрешает или запрещает запись новых данных или регенерацию ячейки. Транзистор VT3 выполняет роль ключа, удерживающего конденсатор от разряда и разрешающего или запрещающего чтение данных из ячейки памяти. Транзистор VT2 используется для считывания данных с конденсатора. Если на конденсаторе есть заряд, то транзистор VT2 открыт, и ток пойдет по линии AB, соответственно, на выходе Q1 тока не будет, что означает – ячейка хранит бит информации с нулевым значением. Если заряда на конденсаторе нет, то конденсатор VT2 закрыт, а ток пойдет по линии AE, соответственно, на выходе Q1 ток будет, что означает – ячейка хранит бит информации со значением “единица”.

Заряд в конденсаторе, используемый для поддержания транзистора VT2 в открытом состоянии, во время прохождения по нему тока, быстро расходуется, поэтому при чтении данных из ячейки необходимо проводить регенерацию заряда конденсатора.

Для работы динамической памяти на матрицу должно всегда поступать напряжение, на схеме оно обозначено, как Uп. С помощью резисторов R напряжение питания Uп равномерно распределяется между всеми столбцами матрицы.

Также в состав памяти входит контроллер шины памяти, который получает команды, адрес и данные от внешних устройств и ретранслирует их во внутренние блоки памяти.

Команды передаются в блок управления, который организует работу остальных блоков и периодическую регенерацию ячеек памяти.

Адрес преобразуется в две составляющие – адрес строки и адрес столбца, и передается в соответствующие дешифраторы.

Дешифратор адреса строки определяет, с какой строки надо провести чтение или запись, и выдает на эту строку напряжение.

Дешифратор адреса столбца при чтении данных определяет, какие из считанных бит данных были запрошены и должны быть выданы в шину памяти. При записи данных дешифратор определяет, в какие столбцы надо подать команды записи.

Блок работы с данными определяет, какие данные, в какую ячейку памяти требуется записать, и выдает соответствующие биты данных для записи в эти ячейки.

Блоки регенерации определяют:

• когда происходит чтение данных и надо провести регенерацию ячейки, из которой данные были считаны;
• когда происходит запись данных, а, следовательно, регенерацию ячейки производить не надо.

Буфер данных сохраняет всю считанную строку матрицы, так как при чтении всегда считывается вся строка целиком, и позволяет потом выбрать из считанной строки требуемые биты данных.

Рассмотрим принцип работы динамической памяти на примере структурной схемы, приведенной на рисунке 1. Рассматривать будем работу с первой ячейкой (M11). Работа остальных ячеек памяти полностью идентична.

1.1. Работа динамической памяти в состоянии покоя.

И так, первое что мы рассмотрим – этот состояние покоя, когда к памяти отсутствуют обращения, и она не в стадии регенерации данных.

DRAM – память энергозависимая, поэтому работа с ней возможна только при подаче питания. На схеме подаваемое на плату питание обозначено, как Uп. Подаваемое питание распределяется между всеми столбцами матрицы памяти с помощью транзисторов R.

Если память бездействует (от контроллера шины памяти не приходит никаких команд), то от дешифратора адреса строки не выдается сигнал ни на одну линию строк (S1-Sn) матрицы памяти. Соответственно, транзисторы VT1 и VT3 ячейки памяти M11 закрыты, также как и аналогичные транзисторы всех остальных ячеек памяти.

Следовательно, ток от подаваемого питания проходит по линии AE для первого столбца и аналогично для всех остальных столбцов матрицы памяти. Далее попадает на выходы Q1-Qm, на которых устанавливается «высокий» уровень напряжения, соответствующий значению логической «1». Но так как никаких команд от блока управления нет, то «Буфер данных» игнорирует получаемые сигналы.

Тут становится понятно, зачем нужен транзистор VT3. Он защищает конденсатор от разряда, когда к данной ячейки памяти нет обращения.

Ток по линии AE также попадает на «Блок регенерации 1», а именно, на нижний вход элемента L3 (логическое «И»), то есть на нижний вход элемента L3 подается логическая единица.

Рассмотрим, как в этом случае будет работать блок регенерации.

Так как от контроллера памяти нет никаких сигналов, то на входе элемента L1 (логическое «НЕ») будет логический ноль, а, соответственно, на выходе – логическая «1». Таким образом, на верхнем входе элемента L3 (логическое «И») будет логическая единица.

Имея на входах элемента L3 (логическое «И») две логические единицы, на выходе получим так же логическую единицу.

На выходе элемента L2 (логическое «И») будет логический ноль, так как на обоих его входах напряжение отсутствует, так как от контроллера памяти нет никаких команд и данных.

В результате, на входах элемента L4 (логическое «ИЛИ-НЕ») будет логический ноль и логическая единица, а, соответственно, на его выходе будет логический ноль, то есть напряжение будет отсутствовать. Так как напряжение отсутствует, то ни один конденсатор первого столбца матрицы памяти подзаряжен не будет. Хотя, даже если бы напряжение и присутствовало, все равно подзарядка была бы невозможна, так как транзисторы подзарядки (доля ячейки М11 – это VT1) были бы закрыты, ведь ни на одну строку матрицы памяти (S1-Sn) напряжение не подается.

Точно такая же ситуация будет со всеми столбцами матрицы памяти.

Таким образом, при бездействии памяти конденсаторы не подзаряжаются и хранят тот заряд (а, соответственно, и тот бит данных), который у них был с момента последней подзарядки. Однако долго это продолжаться не может, так как из-за саморазрядки конденсатор, через несколько десятков миллисекунд, разрядится, и данные будут утеряны. Поэтому необходимо постоянно проводить регенерацию памяти.

1.2. Работа динамической памяти при чтении данных и регенерации.

Будем рассматривать принцип чтения данных из динамической памяти на примере считывания данных из ячейки памяти М11:

1. Процессор запрашивает порцию данных (размер зависит от разрядности процессора, для 32-разрядного процессора минимальной единицей обмена, обычно, являются 32 бита) и выдает их адрес.

2. Контроллер шины памяти преобразует адрес в номер строки и номер столбца и выдает номер строки в дешифратор адреса строки. Дешифратор адреса строки выдает сигнал в соответствующую строку матриц памяти. Мы договорились, что в примере данные будем читать из первой ячейки памяти. Поэтому дешифратор адреса строки подаст напряжение на первую строку (S1).

3. Напряжение, поданное на строку S1, откроет транзисторы VT1 и VT3 первой ячейки памяти и соответствующие транзисторы всех остальных ячеек первой строки.

4. Дальнейшая работа памяти зависит от наличия или отсутствия заряда на конденсаторе. Рассмотрим отдельно два случая, когда на конденсаторе ячейки М11 есть заряд, и когда нет.

4.1 . В начале рассмотрим случай, когда заряд в конденсаторе есть (ячейка памяти содержит бит со значением ноль):

Так как на конденсаторе С ячейки памяти М11 есть заряд, то транзистор VT2 будет открыт, а, соответственно, ток, создаваемый входным напряжением Uп, пойдет по линии AB. В результате, на выходе Q1 первого столбца тока не будет. А это означает, что с ячейки памяти М11 считан ноль. Соответствующая информация о считанном бите с первого столбца будет записана в «Буфер данных».

Для поддержания транзистора VT2 в открытом состоянии и протекания тока по линии AB расходуется заряд конденсатора С. В результате, конденсатор очень быстро разрядится, если не провести его регенерацию.

Так как на выходе Q1 тока нет, то он не будет поступать и в «Блок регенерации 1», а, соответственно, на нижнем входе элемента L3 (логическое «И») будет логический ноль.

Так как мы рассматриваем случай чтения данных, то сигнал записи V1 и данные для записи D1 в «Блок регенерации 1» подаваться не будут. В остальные блоки регенерации соответствующие сигналы D1-Dm и V1-Vm также подаваться не будут.

В результате, на входе элемента L1 (логическое «НЕ») будет логический «0», а на выходе – логическая «1», поэтому на входах элемента L3 (логическое «И») будет логический «0» и логическая «1». Это значит, что на выходе этого элемента будет логический «0».

На выходе логического элемента L2 (логическое «И») будет логический ноль, так как на обоих его входах напряжение отсутствует, так как от контроллера шины памяти отсутствуют команды на запись и данные для записи.

Имея на обоих входах элемента L4 (логическое «ИЛИ-НЕ») логический «0», на его выходе будем иметь логическую «1», то есть с блока регенерации пойдет ток подзарядки конденсатора С. Так как транзистор подзарядки VT1 ячейки памяти М11 открыт, то ток подзарядки беспрепятственно пройдет в конденсатор С. Остальные ячейки памяти первого столбца имеют закрытый конденсатор подзарядки, а, следовательно, подзарядка их конденсаторов происходить не будет.

4.2 . Теперь рассмотрим случай, когда в конденсаторе нет заряда (ячейка памяти хранит бит со значением «1»):

Ток, создаваемый входным напряжением Uп, пойдет по линии AЕ, так как транзистор VT2 будет закрыт. Следовательно, на входе Q1 «Буфера данных» будет ток, что означает – с ячейки памяти считана единица. Информация о считанном бите с первого столбца будет записана в «Буфер данных».

Так как в конденсаторе заряда не было, то и подзаряжать его надобности нет. Следовательно, с блока регенерации ток пойти не должен.

Так как на выходе Q1 ток есть, то он поступает и в «Блок регенерации». Следовательно, на нижний вход элемента L3 (логическое «И») подается логическая единица.

Так как мы рассматриваем случай чтения данных, то сигнала записи V1 и данных для записи D1 в «Блок регенерации 1» подаваться не будет. Так же в остальные блоки регенерации, соответствующие сигналы D1-Dm и V1-Vm так же подаваться не будут.

Следовательно, на входе элемента L1 (логическое «НЕ») будет логический ноль, а на выходе – логическая «1». Таким образом, на входах элемента L3 (логическое «И») будут две логические единицы. В результате, на выходе получим так же логическую единицу.

На выходе логического элемента L2 (логическое «И») будет логический ноль, так как на обоих его входах напряжение отсутствует, так как от контроллера памяти нет команд на запись и данных для записи.

В результате, на входах элемента L4 (логическое «ИЛИ-НЕ») будет логический ноль и логическая единица, а, соответственно, на его выходе будет логический ноль, то есть напряжение будет отсутствовать. Так как напряжение отсутствует, то ни один из конденсаторов первого столбца матрицы памяти подзаряжаться не будет.

5. Параллельно с чтением и регенерацией данных первого столбца происходит по такому же алгоритму чтение данных с остальных столбцов. В результате, в буфер данных будет записано значение всех ячеек памяти первой строки.

6. С контроллера памяти на дешифратор адреса столбца выдаются номера столбцов для считывания. За один такт номера считываются сразу с нескольких столбцов. Количество столбцов для считывания определяется разрядностью процессора и способом его взаимодействия с памятью. Для 32-разрядных процессоров минимальной порцией является считывание данных с 32 столбцов.

7. С дешифратора адреса столбцов номера столбцов передаются в «Буфер данных», откуда соответствующие данные считываются и передаются в процессор.

На этом цикл чтения данных заканчивается. Как вы заметили, при чтении данных считываются значения сразу со всей строки памяти данных, а потом из нее в «Буфере данных» выбираются нужные данные. Поэтому минимальной порцией чтения данных с динамической оперативной памяти является строка.

При чтении данных одновременно происходит и их регенерация. Однако не все данные ОЗУ постоянно нужны для работы, поэтому обращение к некоторым ячейкам памяти может быть очень редким. Для того чтобы данные в таких ячейках не были утеряны, их приходится считывать принудительно, не дожидаясь пока они потребуются процессору.

Поэтому «Блок управления» с определенной частотой, в моменты простоя памяти или между обращением к памяти процессора (или других устройств), регенерирует данные во всех ячейках памяти.

1.3. Работа динамической памяти при записи данных.

Будем рассматривать принцип записи данных в динамическую память на примере записи данных в ячейку памяти М11:

1. Контроллер шины памяти получает команду на запись данных, данные и адрес, куда необходимо записать эти данные.

2. Контроллер шины памяти преобразует адрес на две составляющие – номер строки и номера столбцов, и передает полученные составляющие в «Дешифратор адреса строки» и в «Дешифратор адреса столбцов». А данные передает в «Блок работы с данными».

3. Дешифратор адреса строки выдает сигнал в соответствующую строку матрицы памяти. Мы договорились, что в примере данные будем записывать в первую ячейку памяти. Поэтому дешифратор адреса строки подаст напряжение на первую строку (S1).

4. Одновременно с «Дешифратора адреса столбцов» выдаются сигналы V в столбцы, соответствующие полученному адресу. В эти же столбцы подаются сигналы D с «Блока работы с данными», уровень которых определяется значением битов записываемого слова.

5. Напряжение, поданное на строку S1, откроет конденсаторы VT1 и VT3 первой ячейки памяти и соответствующие конденсаторы всех остальных ячеек первой строки.

6. Если в ячейке М11 хранится бит со значением «0» (в конденсаторе есть заряд), то ток, создаваемый входным напряжением Uп, пойдет по линии AB, иначе – по линии AE. Но нам это не важно, так как в ячейку М11 производится запись данных, а не их чтение, поэтому буфер данных будет игнорировать считанное с ячейки значение. А с выхода элемента L3 «Блока регенерации 1» будет всегда идти логический ноль, так как с дешифратора столбцов приходит сигнал (V1) на запись данных в первый столбец.

В результате, на входе элемента L1 будет логическая единица, а на выходе – логический ноль. Соответственно, на верхнем входе элемента L3 мы всегда имеем логический ноль, что означает – независимо от значений на нижнем входе, на выходе элемента L3 будет логический ноль.

На нижнем входе элемента L2 будет логическая единица, так как с дешифратора адреса столбцов выдается сигнал V1, а на верхнем входе будет либо ноль, либо единица, в зависимости от того, какое значение имеет бит записываемой информации.

Если бит имеет значение «1», то на верхнем входе элемента L2 будет «1». Имея две единицы на входе, мы получим на выходе так же логическую единицу. Соответственно, на входах элемента L4 будет получена логическая «1» и логический «0». В результате, на выходе будет логический «0», то есть ток будет отсутствовать, а, соответственно, зарядка конденсатора C идти не будет. Если до этого конденсатор С содержал заряд, то через несколько микросекунд он разрядится, пропуская ток по линии АВ. Таким образом в конденсатор С будет записан бит данных «1», соответствующий разряженному состоянию конденсатора.

Если бит имеет значение «0», то на верхнем входе элемента L2 будет «0». Имея на верхнем входе логический ноль, а на нижнем – логическую единицу, на выходе элемента L2 получим логический ноль. В результате, на верхнем и нижнем входах элемента L4 имеем логические нули, что означает – на выходе элемента L4 будет логическая единица, то есть пойдет ток зарядки конденсатора. Таким образом в конденсатор С будет записан бит данных «0», соответствующий заряженному состоянию конденсатора.

Аналогичным образом будут записаны данные в другие столбцы матрицы памяти. В тех столбцах, в которых запись данных не требуется, будет произведено чтение данных из ячейки памяти и ее регенерация. При этом данные в буфер памяти записаны не будут.

Запись данных во все требуемые ячейки строки матрицы памяти и чтение с регенерацией из оставшихся ячеек строки производятся параллельно.

Приведенная на рисунке 1 структурная схема памяти и описанный принцип работы соответствуют одной из самых простых организаций динамической памяти. На практике такую память уже давно не используют. Со временем, она претерпела ряд изменений, позволивших ей работать гораздо быстрее. Давайте рассмотрим эти улучшения.

2. Этапы модернизации динамической оперативной памяти.

Все усовершенствования в работе динамической памяти были направлены на увеличение скорости работы памяти, так как скорость оперативной памяти всю историю существования вычислительной техники являлась одним из факторов, сдерживающих рост производительности ЭВМ. Если обратиться к истории ЭВМ, то можно увидеть, что каждый прорыв в области организации оперативной памяти приводил к резкому скачку в быстродействии ЭВМ.

Естественно, скорость работы памяти увеличивалась, за счет повышения тактовой частоты и улучшения технологического процесса производства. Это был закономерный процесс, приводивший к плавному увеличению скорости работы. Но нас более интересуют изменения в принципиальном устройстве памяти, приводившие к появлению новых типов памяти. Именно о них я буду рассказывать в этой главе.

2.1. PM DRAM.

Один из первых видов оперативной памяти, используемой в персональных компьютерах, была простая динамическая оперативная память (PM DRAM – Page Mode DRAM), принцип работы которой описан выше. PM DRAM использовалась вплоть до середины 90-х годов.

Однако ее быстродействия катастрофически не хватало, поэтому на смену ей в 1995 году пришла память FPM DRAM.

2.2. FPM DRAM.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) – быстрая страничная память. Основное ее отличие от памяти FP DRAM заключалось в поддержке сохраненных адресов. То есть, если новое считываемое из памяти слово находилось в той же строке, что и предыдущее слово, то обращение к матрице памяти не требовалось, а выборка данных осуществлялась из «Буфера данных» (смотри рисунок 1) по номерам столбцов. Это позволяло в случае чтения из памяти массивов данных значительно сократить время чтения.

Однако запись данных в память осуществлялась точно так же, как и в памяти PM DRAM. Да и далеко не всегда считываемые данные располагались в одной строке. В результате, прирост производительности сильно зависел от типа программ, с которыми работала ЭВМ. Прирост мог быть, как существенный, так и вовсе могло быть замедление работы, из-за дополнительных накладных расходов на анализ номера строки предыдущей операции чтения.

Следующий тип памяти, заменивший FPM DRAM, появился через год (в 1996 году) и назывался EDO-DRAM.

2.3. EDO-DRAM.

EDO-DRAM (Extended Data Out DRAM) – динамическая память с усовершенствованным выходом. В этом типе памяти адрес следующего считываемого слова передавался до завершения считывания линии данных памяти, то есть до того, как считанные данные из памяти были переданы процессору.

Приступить к считыванию нового слова данных, до завершения чтения предыдущего, стало возможным, благодаря вводу, так называемых, регистров – защелок, которые сохраняли последнее считанное слово даже после того, как начиналось чтение или запись следующего слова.

Сочетая в себе также новшества памяти FPM RAM, новый тип памяти давал прирост производительности в пике, достигавший 15-20%.

Однако прогресс не стоял на месте, тактовые частоты работы процессоров, системной шины и естественно памяти росли. С повышением тактовой частоты все сложнее было добиваться стабильной работы памяти EDO-DRAM, так как из-за непредвиденных задержек чтение нового слова данных могло начаться прежде, чем предыдущее слово данных было сохранено с помощью регистров-защелок.

В результате, на смену EDO-DRAM пришла память SDRAM.

2.4. SDRAM.

SDRAM (Synchronous DRAM) – синхронная динамическая память с произвольным доступом. Как видно из названия, память работала синхронно, синхронно с контроллером памяти, что гарантировало завершение цикла чтения/записи строк в заданное время. Это позволяло выдавать новую команду на чтение до завершения считывания предыдущего слова данных, будучи уверенным, что считывание завершится верно, а чтение нового слова начнется с минимальной задержкой.

Однако тут возникали проблемы с чередованием чтения и записи. Когда подряд считывалось несколько слов данных – проблем не было никаких, а вот если до окончания записи приходила команда на чтение слова, которое записывалось, то это могло привести к считыванию неверных данных. Поэтому контроллер синхронной памяти дополнительно усложнился, обеспечивая защиту от таких ситуаций.

Также в SDRAM памяти было увеличено количество матриц памяти с одной до двух, иногда до четырех. Это позволило во время обращения к одной матрице памяти регенерировать строки другой матрицы, что, в свою очередь, позволило поднять тактовую частоту работы памяти, из-за уменьшения задержек на регенерацию.

Также это позволило считывать данные сразу из нескольких матриц памяти. То есть, пока идет считывание из одной матрицы памяти, в другую уже передается адрес нового слова для чтения/записи.

Со временем, развитие технологии производства и возможность работы сразу с несколькими матрицами памяти позволили значительно поднять внутреннюю скорость работы микросхем оперативной динамической памяти. Внешняя шина памяти стала узким местом и замедляла работу. В результате, был разработан новый тип памяти DDR SDRAM. С появлением DDR SDRAM предшествующую память SDRAM стали называть SDR SDRAM (Single Data Rate DRAM).

2.5. DDR SDRAM.

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной частотой передачи данных.

В этом типе оперативной памяти обмен данными по внешней шине идет не только по фронту тактового импульса, но и по спаду. В результате, без увеличения тактовой частоты внешней шины удваивается объем передаваемой информации.

Но подъема скорости работы внешней шины данных недостаточно, необходимо, чтобы и сама память поддерживала такую скорость. Так как увеличить частоту работы оперативной памяти довольно сложно, трудоемко и дорого, то производители пошли на хитрость. Вместо увеличения тактовой частоты памяти, они увеличили разрядность внутренней шины данных (от ячеек матриц памяти до буферов ввода-вывода) и сделали ее в два раза большей, чем разрядность внешней шины памяти (от контроллера памяти, встраиваемого в северный мост, или процессора до микросхемы памяти). То есть за 1 такт считывалось столько данных, сколько могло передаваться по внешней шине только за два такта. При этом ширина внешней шины данных составляла 64 бита, а внутренней – 128 бит.

В результате, по фронту тактового импульса из чипа памяти передавалась первая часть данных, а по спаду – вторая. Аналогичная ситуация была и при записи данных в память. Сначала принималась первая часть данных, а затем – вторая, после чего они обрабатывались одновременно.

Однако из-за накладных расходов и необходимости применять мультиплексор, для объединения двух частей данных, передаваемых в оперативную память, и демультиплексор, для разделения считываемых данных из памяти на две части, сильно выросла латентность памяти.

Латентность – это время между запросом данных из памяти и временем, когда оперативная память начнет выдавать требуемые данные.

В результате, реальная производительность DDR памяти, по сравнению с SDR, возросла всего лишь на 30-40 процентов.

Наиболее популярные модели памяти DDR работали на тактовой частоте 200 МГц, но имели маркировку DDR400. 400 означало количество транзакций (обменов) в секунду. Действительно, при тактовой частоте 200 МГц и передаче данных по фронту и спаду тактового импульса, в секунду будет совершаться 400 МТр. При этом внутренняя частота чипа памяти также будет 200 МГЦ.

С появлением DDR памяти, одним из актуальных параметров работы чипа памяти стала латентность. В результате, для примерной оценки производительности памяти ввели такое понятие, как тайминги памяти.

Тайминги, обычно, задаются набором из четырех чисел, определяющих основные задержки памяти в тактах работы чипа памяти. В таблице 1 приведен пример расшифровки таймингов памяти DDR266 (тайминги: 2.5-3-3-7) в порядке их расположения в строке.

Тайминги	Значение	Расшифровка
Tcl	2.5	CAS Latency – задержка в тактах между выдачей в память адреса столбца, когда нужная строка уже открыта, и началом выдачи данных из памяти.
Trcd	3	Row to CAS Delay – задержка в тактах между открытием строки и разрешением доступа к столбцам или, другими словами, задержка между подачей номера строки и номера столбца.
Trp	3	Row Precharge Time – время в тактах, требуемое на закрытие одной строки и открытие другой, или, другими словами, задержка между чтением последней ячейки памяти и подачей номера новой строки.
Tras	7	Tras (Active to Precharge Delay) – минимальное время между подачей номера строки и подачей команды подзарядки ячеек строки (PRECHARGE), то есть количество тактов, затрачиваемое памятью на чтение данных.

Таблица 1. Расшифровка таймингов оперативной памяти.

С помощью таймингов можно определить:

• время, требуемое на чтение первого бита из памяти, когда нужная строка уже открыта, – Tcl тактов;
• время, требуемое на чтение первого бита из памяти, когда строка неактивна, – Trcd+ Tcl тактов;
• время, требуемое на чтение первого бита из памяти, когда активна другая строка, – Trp+Trcd+Tcl тактов;

Тайминги можно изменять (разгонять память), наряду с тактовой частотой, однако стабильность работы памяти при этом не гарантируется, поэтому надо быть крайне внимательными и осторожными при попытках заставить работать память с нестандартными настройками.

В таблице 2 приведены основные сертифицированные стандарты DDR SDRAM и их параметры.

Стандарт	Частота внутренней шины, МГц	Частота внешней шины, МГц		Стандартные тайминги*
DDR200	100	100	200	2-2-2-5	1600
DDR266	133	133	266	2.5-3-3-7	2133
DDR300	166	166	333	2.5-3-3-7	2667
DDR400	200	200	400	2.5-3-3-8	3200

Таблица 2. Параметры стандартов памяти DDR SDRAM.

Поднять тактовую частоту чипа памяти выше 200 МГц на том этапе было крайне затруднительно. Естественно существовала память, работающая на тактовой частоте 233, 250 и даже 267 МГц, но это были несертифицированные стандарты, и стоили они дорого.

В результате, разработчики памяти продолжили развивать архитектуру памяти DDR SDRAM. Логическим результатом этого развития стала память DDR2 SDRAM.

2.6. DDR2 SDRAM.

В памяти DDR2 SDRAM ширина внутренней шины данных была увеличена еще в два раза и стала превосходить внешнюю шину данных в четыре раза. В результате, при одной и той же тактовой частоте внешней шины памяти у памяти DDR2 SDRAM внутренняя тактовая частота была в два раза меньше, по сравнению с памятью DDR SDRAM.

Для сравнения возьмем топовую память DDR (DDR400) и первую спецификацию памяти DDR2 (DDR2-400). Казалось бы, раз это новый тип памяти, то он должен работать быстрее, однако дело тут обстояло совсем не так. На практике память DDR2-400 была чуть ли не медленнее памяти DDR400.

Давайте разберемся почему. И так, первое – это тактовая частота внешней шины данных. Она была у обоих типов памяти одинаковая – 200 МГц, и ширина внешней шины данных тоже была одинаковая – 64 разряда. В результате, и быстродействие у памяти DDR2-400 заметно выше, чем у памяти DDR400, быть не могло.

К тому же в памяти DDR400 ширина внутренней шины была всего в 2 раза больше внешней, тогда как у DDR2-400 – в четыре. В результате, устройство мультиплексора и демультиплексора памяти DDR2-400 – сложнее. К тому же далеко не всегда считываемые/записываемые данные находятся в одной строке матрицы памяти, в результате, считать/записать все слова данных одновременно невозможно, эта особенность тем негативнее сказывается, чем больше ширина внутренней шины данных, а она, естественно, больше у памяти DDR2.

Так в чем же преимущество памяти DDR2-400. А преимущество – в тактовой частоте чипа памяти. Она была в два раза ниже, чем тактовая частота чипа DDR-400. Это давало огромный потенциал для увеличения производительности памяти и уменьшало энергопотребление.

В результате, очень быстро появилась память с внешней шиной, работающей на тактовой частоте 400 МГц. А позже у топовых моделей памяти DDR2 тактовая частота внешней шины достигла 533 МГц, при тактовой частоте чипа памяти – 266 МГц, и пиковой теоретической пропускной способности – 9.6 Гб/с, что, несмотря на увеличившуюся латентность, значительно превосходило возможности памяти DDR.

В таблице 3 приведены основные стандарты DDR2 SDRAM и их параметры.

Стандарт	Частота внутренней шины, МГц	Частота внешней шины, МГц	Количество транзакций в секунду, МТр	Стандартные тайминги*	Теоретическая пропускная способность, Мб/с
DDR2-400	100	200	400	3-3-3-12	3200
DDR2-533	133	266	533	5-5-5-15	5300
DDR2-667	166	333	667	2.5-3-3-7	2667
DDR2-800	200	400	800	5-5-5-15	7100
DDR2-1066	266	533	1066	5-5-5-15	8500
DDR2-1200	300	600	1200	5-5-5-15	9600

* У различных производителей стандартные тайминги могут варьироваться и сильно зависят от качества элементной базы.

Таблица 3. Параметры стандартов памяти DDR2 SDRAM.

На этом был практически достигнут предел возможности усовершенствования DDR2 памяти по частоте и латентности. Дальнейшее увеличение производительности приводило к значительному росту энергопотребления и тепловыделений, и снижения стабильности и надежности работы памяти.

В результате, разработчики в 2005 году представили прототипы нового поколения DDR SDRAM памяти – DDR3 SDRAM. Однако массовое производство этой памяти и экспансия рынка начались только в 2009 году.

2.7. DDR3 SDRAM.

Основное направление развития памяти DDR3 SDRAM сохранилось таким же, как у DDR2 SDRAM. То есть снова была увеличена вдвое ширина внутренней шины данных памяти, что привело к снижению внутренней тактовой частоты памяти в два раза. К тому же при производстве памяти применялся новый технологический процесс, в начале – до 90 нм, затем – до 65 нм, 50 нм, 40 нм, и видимо это еще не предел.

Все это открыло разработчикам дальнейшие возможности по наращиванию тактовой частоты внешней шины памяти, тактовой чистоты самого чипа памяти, снижению рабочего напряжения и увеличению объема памяти.

Однако вместе с увеличением ширины внутренней шины данных увеличилась латентность памяти, усложнилось устройство мультиплексора/демультиплексора. В общем, все проблемы DDR и DDR2 памяти перешли в DDR3 память.

Но, благодаря улучшению технологического процесса и архитектуры памяти, удалось снизить время цикла чтения/записи, что позволило несколько снизить влияние увеличившейся латентности на производительность памяти.

В таблице 3 приведены существующие стандарты DDR3 SDRAM и их основные параметры.

Стандарт	Частота внутренней шины, МГц	Частота внешней шины, МГц	Количество транзакций в секунду, МТр	Стандартные тайминги*	Теоретическая пропускная способность, Мб/с
DDR3-800	100	400	800	6-6-6-18	6400
DDR3-1066	133	533	1066	7-7-7-21	8533
DDR3-1333	166	667	1333	8-8-8-24	10667
DDR3-1600	200	800	1600	8-8-8-24	12800
DDR3-1866	233	933	1866	9-9-9-27	14930
DDR3-2000	250	1000	2000	9-9-9-27	16000
DDR3-2133	266	1066	2133	9-11-9-28	17066
DDR3-2200	275	1100	2200	10-10-10-30	17600
DDR3-2400	300	1200	2400	9-11-9-28	19200

* У различных производителей стандартные тайминги могут варьироваться и сильно зависят от технологического процесса производства и качества элементной базы.

Таблица 4. Параметры стандартов DDR3 SDRAM.

Память DDR3 сегодня (начало 2012 года) занимает главенствующие позиции на рынке, однако ей уже грядет замена в лице нового поколения памяти DDR – DDR4 SDRAM.

2.8. DDR4 SDRAM.

Стандарты нового поколения памяти были представлены еще в 2008 году в Сан-Франциско на форуме, организованном компанией Intel. В 2011 году компания Sumsung продемонстрировала свои первые прототипы памяти DDR4.Однако начало производства этого типа памяти планируется на 2012 год, а окончательное завоевание рынка закончится не ранее 2015 года. Такие поздние сроки начала массового производства, в основном, связаны с тем, что возможности памяти DDR3 еще полностью не исчерпаны и позволяют удовлетворить требования большинства пользователей. А, следовательно, выход на рынок с новым типом памяти будет коммерчески неоправдан.

Память DDR4 продолжит тенденции DDR памяти. Будет увеличена ширина внутренней шины, улучшена технология производства до 32-36 нм, подняты тактовые частоты внешней и внутренней шины, а также будет снижено напряжение.

Но поговорим о ней более подробно, когда появятся первые массово выпускаемые образцы памяти, а сейчас подведем итоги обзора динамической памяти и сформулируем ее основные достоинства и недостатки.

3. Достоинства и недостатки динамической памяти.

Преимущества динамической памяти:

• низкая себестоимость;
• высокая степень упаковки, позволяющая создавать чипы памяти большого объема.

Недостатки динамической памяти:

• относительно невысокое быстродействие, так как процесс зарядки и разрядки конденсатора, пусть и микроскопического, занимает гораздо больше времени, чем переключение триггера;
• высокая латентность, в основном, из-за внутренней шины данных, в несколько раз более широкой, чем внешняя, и необходимости использования мультиплексора/демультиплексора;
• необходимость регенерации заряда конденсатора, из-за его быстрого саморазряда, ввиду микроскопических размеров.