регенерация памяти - Регулярный циклический опрос ячеек памяти с регенерацией хранимой в них информации. Такая процедура обращения к памяти необходима в системах с запоминающими ячейками в виде конденсаторов, где время хранения данных ограничено. [Л.М. Невдяев.… …

- (запоминающиеустройства) в вычислит. технике (см. Электронная вычислительная машина)устройства для записи, хранения и воспроизведения информации. В качественосителя информации может выступать физ. сигнал, распространяющийся в среде … Физическая энциклопедия

Запрос «ОЗУ» перенаправляется сюда. Cм. также другие значения. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с ЦП Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) в информатике память, часть системы памяти ЭВМ, в которую … Википедия

адаптивная регенерация - Процедура обновления информации, хранимой в полупроводниковых ячейках памяти, при которой все запросы на регенерацию ставятся в очередь и обслуживаются в фоновом режиме (в паузах между остальными запросами). Если же число накопившихся запросов… … Справочник технического переводчика

- (МПИ) стандарт, определяющий набор контактов и процедуры обмена по 16 разрядной шине с совмещением (мультиплексированием) адреса и данных. Стандарт не определяет физической реализации интерфейса. Содержание 1 Принцип работы 2 Реализации … Википедия

Типы DRAM памяти FPM RAM EDO RAM Burst EDO RAM SDRAM DDR SDRAM DDR2 SDRAM DDR3 SDRAM DDR4 SDRAM Rambus RAM QDR SDRAM VRAM WRAM SGRAM GDDR2 GDDR3 GDDR4 GDDR5 … Википедия

Типы DRAM памяти FPM RAM EDO RAM Burst EDO RAM DDR SDRAM DDR2 SDRAM DDR3 SDRAM QDR SDRAM WRAM SGRAM GDDR3 GDDR5 DRAM (Dynamic Random Access Memory) один из видов компьютерной памяти с произвольным доступом (RAM), наиболее широко используемый в… … Википедия

Запрос «Повелители времени» перенаправляет сюда. О французском фантастическом мультфильме см. Властелины времени (мультфильм) Галлифрей … Википедия

Спираль, также известная как Символ Большинство персонажей сериала «Герои» обладает сверхчеловеческими способностями. Способности связаны с генотипом и передаются по наследству. Статья является переводом интерпретацией статьи на английском.… … Википедия

Тип Промышленная микроЭВМ Выпущен? Выпускался по … Википедия

НЖМД объёмом 45 Мб 1980 х годов выпуска, и 2000 х годов выпуска Модуль оперативной памяти, вставленный в материнскую плату Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) часть вычислительной машины, физическое… … Википедия

Как указывалось ранее, динамическая память требует регенерации (восстановления) информации, производимой через каждые несколько мс. Это связано с тем, что для хранения одного бита информации в ней используется заряд на конденсаторе, который с течением времени рассасывается. Регенерация памяти заключается в том, что содержимое каждой строки микросхемы DRAM считывается, усиливается и записывается вновь на прежнее место. При регенерации доступ к памяти со стороны процессора или других устройств запрещен, что приводит к снижению производительности ЭВМ.

В соответствии с ранее рассмотренной организацией микросхемы DRAM для регенерации хранимой в ней информации, на микросхему необходимо подать адрес строки (в сопровождении строба RAS) и сигнал чтения. Упрощенная структура системы регенерации содержимого памяти DRAM, состоящей из 256 строк, приведена на рисунке 7.10.

Таймер интервала регенерации следит за своевременным проведением регенерации всех строк микросхем DRAM. Если требуемое время регенерации составляет 4 мс, то для регенерации каждой строки 256- строковой микросхемы DRAM сигнал регенерации (REFRESH) должен вырабатываться через каждые 15,6 мкс. В каждом цикле регенерации осуществляется восстановление содержимого одной строки. При выработке нового сигнала REFRESH содержимое счетчика адреса строки инкрементируется, после чего вырабатываются строб RAS и сигнал чтения памяти MEMR. Основные действия по регенерации содержимого очередной строки осуществляются

Рисунок 7.10 - Структура подсистемы регенерации динамической памяти

внутри самой микросхемы DRAM. Система регенерации отвечает лишь за своевременную регенерацию всех строк, выработку адреса очередной строки и необходимых управляющих сигналов.

КЭШ-память

Повышение производительности процессоров привело к тому, что основная память, построенная на микросхемах DRAM, стала замедлять дальнейшее повышение производительности ЭВМ в целом. Реализация ОП на микросхемах SRAM технически и экономически не оправдана, так как габариты и стоимость микросхем SRAM на 1 бит хранимой информации существенно выше, чем аналогичные показатели у DRAM. Разумным компромиссом для построения экономичных и быстродействующих систем явилось сочетание памяти большого объёма на DRAM и небольшой на микросхемах SRAM.

Слово Cache означает склад, тайник. КЭШ- память не имеет отдельного адресного пространства и не доступна для пользователя. Она является дополнительным и быстродействующим хранилищем копий тех областей информации ОП, к которым, вероятно, в ближайшее время будет обращение. В их число попадают в первую очередь области, примыкающие к выполняемой в данный момент команде, а во вторую – области связанные с ней командами перехода (см. рисунок 7.11).

Рисунок 7.11- Возможная область кэширования ОП

Приведенный рисунок, а также анализ хода выполнения различных программ показывают, что большую часть времени в них выполняются определенные группы команд, которые многократно повторяются. Это свойство программ называется локализацией ссылок. Локализация ссылок происходит во времени и в пространстве. Первое означает, что недавно выполненные команды скорее всего будут затребованы снова. Локализация в пространстве означает, что скорее всего в последующие моменты времени будут выполняться команды, расположенные (по значениям адресов) в непосредственной близости от выполняемой. Заметим, что последовательность выполнения команд для работы КЭШ- памяти не имеет значения.

КЭШ не может хранить копию всей основной памяти, так как её размер во много раз меньше ОП. Поэтому она хранит копии части содержимого ОП. Для записи информации о текущем соответствии содержимого КЭШ-памяти конкретным областям (блокам) ОП используется каталог, находящийся в дополнительной тэговой (ТЭГ) памяти, входящей в состав КЭШ- памяти. При обращении к ОП контроллер КЭШ- памяти (ККП) с помощью каталога в ТЭГ проверяет, есть ли копия затребованных данных (или команды) в КЭШе. Если она там есть, то это случай так называемого КЭШ- попадания и данные берутся из КЭШа. Если нет (случай КЭШ - промаха), то данные берутся из основной памяти, вводятся в процессор и записываются в КЭШ. При попадании в КЭШ время доступа к подсистеме памяти КЭШ+DRAM уменьшается и основная память представляется процессору более быстрой, чем есть на самом деле.

КЭШ прямого отображения

Принцип работы КЭШ прямого отображения проиллюстрирован на рисунке 7.12.

Рисунок 7.12- Структура КЭШ прямого отображения

В таблице 7.2 приведено разбиение полного адреса ячейки DRAM на поля.

Таблица 7.2- Распределение полного адреса ячейки DRAM

Рассмотрим принцип работы КЭШ прямого отображения на примере КЭШ объёмом 256 Кбайт с размером строки 32 байта (4 x 8 байт) и объёмом кэшируемой основной памяти 64 Мбайт. Кэшируемая основная память при этом условно разбивается на блоки, размер которых равен размеру КЭШ – памяти. Для рассматриваемого случая количество блоков равно: 64 Мбайт/ 256 Кбайт = 256. В свою очередь КЭШ- память делится на строки, длина которых равна количеству байт, передаваемых процессором в одном пакетном цикле (пакете) (4 x 4 байт =16 для процессора INTEL 486 и 4 x 8 байт = 32 байта для Pentium - процессоров). При размере КЭШ в 256 Кбайт число строк КЭШ для Pentium будет равно 256 Кбайт / 32 байт = 8 К.

В КЭШ прямого отображения средняя часть адреса (Index), по которому производится обращение, однозначно определяет строку КЭШ, в которой может находиться отображение соответствующей строки блока DRAM. На запись в каждую строку КЭШа могут претендовать только одноимённые строки всех блоков основной памяти (откуда и название данного типа КЭШ), но конкретная строка КЭШа в некоторый момент времени может содержать копию только одной строки некоторого блока ОП. Номер блока основной памяти, строка которого отображается в КЭШ, или старшая часть адреса (А18…А25 для КЭШ и ОП рассматриваемых размеров) оперативной памяти называется тегом (Tag) и хранится в дополнительной памяти тегов (Tag SRAM). Младшие пять разрядов адреса (для пакета в 32 байта) определяют номер байта в строке КЭШ памяти и для работы КЭШ памяти несущественны, т.к. минимальной единицей кэширования является строка.

Память тегов должна иметь количество ячеек, равное количеству строк КЭШа (объём КЭШ делится на длину строки КЭШ в байтах), а её разрядность должна вмещать старшие биты адреса кэшируемой памяти.

Кроме адресной части Tag с каждой строкой связаны биты признака действительности строки (V-Valid) и модифицированности данных (М-Mod).

В начале каждого обращения к кэшируемой памяти контроллер ККП считывает содержимое ячейки Tag с заданным индексом и сравнивает его со старшими битами D18…D25, адреса строки DRAM, подлежащей чтению. Сравнение осуществляется цифровым компаратором, входящим в состав КЭШ- контроллера. Если результат сравнения отрицателен (случай КЭШ- промаха), то вырабатывается цикл чтения основной памяти и считанные с нее данные вводятся в процессор, помещаются в соответствующую строку КЭШ, в Tag строки записывается старшая часть адреса, а бит V - достоверности, устанавливается в 1. В случае попадания в КЭШ при значении бита достоверности равным 1 данные берутся из КЭШ- памяти и обращение к DRAM не производится.

В начале цикла записи работа подсистемы памяти (КЭШ+DRAM) не отличается от цикла чтения. В случае промаха запись осуществляется сразу в строку DRAM, в случае попадания - в строку КЭШ (без изменения содержимого Tag соответствующей строки) и с установкой в 1 бита модифицируемости M строки КЭШ. Однако при этом нарушается согласованность (когерентность) данных в КЭШ и DRAM, что может привести к сбою работы всей системы и ККП должен выровнять содержимое КЭШ и DRAM до следующего обращения к этой строке DRAM. Поведение ККП в этом случае определяется его политикой записи.

Существуют два основных алгоритма записи данных из КЭШ - памяти в основную: сквозная запись WT (Write Through) и обратная (отложенная) запись WB (Write Back).

Алгоритм WT предусматривает выполнение каждой операции записи сразу и в КЭШ память и в DRAM. При этом каждая операция записи равносильна записи в DRAM и использование КЭШ- памяти не даёт никакого выигрыша при операциях записи (бит М в этом случае в составе КЭШ не используется).

При алгоритме WB запись со стороны процессора осуществляется только в строку КЭШ, при этом бит М устанавливается в 1, т. е. соответствующая строка в КЭШ отмечается как модифицированная или грязная, т. е. требующей записи в основную память. После копирования в DRAM строка становится чистой и бит М снова устанавливается в 0.

ККП старается осуществить копирование в промежутках между обращениями процессора к остальной системе, и только в крайнем случае (например, при попытке повторной записи в модифицированную строку КЭШ), копирование выполняется в первую очередь.

В системах с несколькими ведущими запись в DRAM могут осуществлять и другие устройства, например подсистема ПДП. В этом случае содержимое соответствующих строк КЭШ и DRAM также может оказаться различным, но уже из-за изменения строки DRAM.

Для устранения такой возможности адрес изменяемой строки DRAM при захвате шины другим ведущим передаётся в КЭШ второго (L2) и первого (L1) уровней. При этом процессор, находящийся в состоянии захвата его шины отслеживает адреса изменённых строк DRAM и в результате устанавливает биты их достоверности V в ноль.

Наборно- ассоциативный КЭШ

Его можно рассматривать как набор нескольких (например 4-х) КЭШ прямого отображения. В наборно-ассоциативной КЭШ - памяти каждая строка DRAM может размещаться в одной из нескольких строк КЭШ. В этом случае в состав TAG вводят ещё дополнительное поле, по которому ККП определяет, к какой строке КЭШ было самое давнее обращение, и которая следовательно, может быть заменена. Дополнительным усложнением является то, что старшая часть текущего адреса системы должна сравниваться с содержимым нескольких ТЭГ. КЭШ такого типа используются как внутренняя (L1) КЭШ память процессоров.

В процессорах Pentium внутренняя КЭШ- память имеет объем в 32 Кбайта. Она разбита на две равные части по 16 Кбайт - КЭШ кода программы и данных.

7.8 Контрольные вопросы

1. Какие отличия в организации изолированной и совмещенной систем адресных шин?

2. Перечислите достоинства и недостатки изолированной и совмещенной систем адресных шин.

3. Перечислите основные типы ПЗУ.

4. Как определяется необходимое число микросхем для построения памяти нужной емкости и разрядности?

5. Какие отличия между памятью статического и динамического типа?

6. Перечислите основные узлы подсистемы регенерации.

7. Что такое регенерация DRAM?

8. Назначение КЭШ- памяти?

9. Что обозначает название- КЭШ прямого отображения?

10. Назначение битов V и M в тэге КЭШ- памяти?

11. Отличия алгоритмов сквозной и отложенной записи?

12. Какими показателями КЭШ- памяти определяется объем кэширования ОП?

ОРГАНИЗАЦИЯ ПК

Динамическая память любого типа, в отличие от статической, даже при подаче питающих напряжений не обладает способностью хранить свою информацию сколь угодно долго. Состояние элементарной ячейки динамической памяти определяется наличием или отсутствием заряда на конденсаторе, и этот заряд подвержен утечке. Поэтому для сохранения данных в динамической памяти ее ячейки необходимо периодически подзаряжать, что и составляет суть процесса регенерации. Как это происходит, чуть ниже.
При выполнении операции чтения регенерация выполняется автоматически. Полученные на усилителе сигнала данные тут же записываются обратно. Считается, что такой алгоритм позволяет уменьшить число требуемых регенераций и увеличить быстродействие. Но это совершенно не так! Считывается ли информация из памяти или нет, "частота" регенерации при этом не меняется. Она либо вообще не регулируется (нет соответствующих опций в "BIOS Setup"), либо является строго фиксированной после соответствующиих установок.

Возможны три различных метода регенерации данных.

Регенерация одним RAS (RAS Only Refresh - ROR). Этот метод использовался еще в первых микросхемах DRAM. Адрес регенерируемой строки передается на шину адреса и выдается сигнал RAS (точно так же, как при чтении или записи). При этом выбирается строка ячеек, и данные из них поступают на внутренние цепи микросхемы, после чего записываются обратно. Так как далее сигнал CAS не следует, цикл чтения/записи не начинается. Затем передается адрес следующей строки и так далее, пока не будет пройдена вся матрица памяти, после чего цикл регенерации повторяется. К недостаткам этого метода можно отнести то, что занимается шина адреса, и в момент регенерации блокируется доступ к другим подсистемам компьютера.
CAS перед RAS (CAS Before RAS - CBR) - стандартный метод регенерации. При нормальном цикле чтения/записи сигнал RAS всегда приходит первым, за ним следует CAS. Если же CAS приходит раньше RAS, то начинается специальный цикл регенерации - CBR. При этом адрес строки не передается, а микросхема использует свой внутренний счетчик, содержимое которого увеличивается на 1 при каждом CBR-цикле (т.н. инкрементирование адреса строки). Этот режим позволяет регенерировать память, не занимая шину адреса, что, безусловно, более экономично.
Автоматическая регенерация памяти (Self Refresh - SR, или саморегенерация). Этот метод обычно используется в режиме энергосбережения, когда система переходит в состояние "сна" ("suspend"), и тактовый генератор перестает работать. В таком состоянии обновление памяти по вышеописанным методам невозможно (попросту отсутствуют источники сигналов), и микросхема памяти выполняет регенерацию самостоятельно. В ней запускается свой собственный генератор, который тактирует внутренние цепи регенерации. Такая технология работы памяти была внедрена с появлением EDO DRAM. Необходимо отметить, что в режиме "сна" память потребляет очень малый ток.
В классической реализации PC AT запросы на регенерацию DRAM генерировал канал 1 системного таймера 8254. К его выходу подключен триггер, работающий в счетном режиме и меняющий свое состояние на противоположное при каждом запросе. Состояние этого триггера можно программно считывать через бит 4 порта 61h. Проверка Refresh Toggle заключалась в проверке того факта, что этот триггер переключается с заданной частотой. Но со временем стали применяться другие алгоритмы регенерации памяти (что и изложено выше), и несмотря на то, что Refresh Toggle сохраняется для совместимости, по нему уже нельзя проверить формирование запросов на регенерацию. Циклы регенерации выполняет входящий в состав чипсета контроллер регенерации, который для выполнения своей задачи должен получать управление магистралью каждые 15,6 мкс. Во время цикла регенерации производится чтение одной из N ячеек памяти.

Burst Refresh

- (пакетная регенерация). Как правило, трактовка этой опции в литературе носит ошибочный характер. При разрешении опции ("Enabled") в единый пакет собираются запросы на регенерацию, причем такое пакетирование может в некоторых случаях обеспечивать аккумулирование запросов по всему объему строк в памяти. Такой метод ведет к значительному повышению производительности, но есть и обратная сторона. На достаточно длительные промежутки времени и постоянно происходит захват шины памяти, что приводит к блокировке доступа к ней процессора или других устройств.
Опция может называться "DRAM Burst Refresh".

CAS Before RAS Refresh

Метод регенерации памяти, когда сигнал CAS устанавливается раньше сигнала RAS. В отличие от стандартного способа регенерации, этот метод не требует перебора адресов строк извне микросхем памяти - используется внутренний счетчик адресов. Однако, этот способ регенерации должен поддерживаться микросхемами памяти. Если раньше можно было встретить фразы, что большинство модулей памяти поддерживает такой метод регенерации, то сейчас это уже стандартное аппаратное решение. Использование этого метода позволяет заметно снизить потребляемую модулями памяти энергию. Может принимать значения:
"Enabled" - разрешено,
"Disabled" - запрещено.
Опция может называться "CAS Before RAS".

CAS-to-RAS Refresh Delay

Действие этой опции возможно при включенном состоянии предыдущей (или аналогичной), так как в данном случае устанавливается время задержки между стробирующими сигналами (в тактах системной шины). Естественно, что установка меньшего значения приводит к снижению времени, затрачиваемого на регенерацию. Большее же значение повышает надежность, т.е. достоверность данных, находящихся в памяти. Оптимальный вариант для данной системы выбирается опытным путем. Может принимать значения: "1T", "2T" (по умолчанию).

Concurrent Refresh

- (паpаллельная, или конкурирующая pегенеpация). При активизации этой опции как аппаратные средства регенерации, так и центральный процессор получают одновpеменный доступ к памяти. При этом процессору не нужно будет ожидать, пока произойдет регенерация. При установке опции в "Disabled" пpоцессоp должен будет ждать, пока схема pегенеpации не закончит pаботу. Естественно, что включение опции повышает производительность системы.

Decoupled Refresh

- (раздельная регенерация). Поскольку ISA-шина имеет невысокую скорость работы, то включение этой опции ("Enabled") позволит чипсету разделить регенерацию для основной памяти и ISA-шины. При этом процесс регенерации для ISA-шины может быть завершен во время выполнения процессором других инструкций. Использование этой опции заметно увеличивает производительность всей системы. Опция эта играла заметную роль во времена 486-х машин.
Но могла возникнуть и проблема, которая заключалась в том, что некоторые карты расширения (обычно, видеокарты) требовали к себе внимания процессора во время начального цикла регенерации шины. Естественно, что это могло привести к нежелательным сбойным ситуациям. Отключение опции могло потребоваться также, если при работе с графическими режимами высокого разрешения на экране монитора появлялись какие-то символы или "снег". При этом необходимо было отключать и такой метод работы с памятью, как "Memory Relocation" (см. выше). Сказанное выше было характерно, например, для видеокарт на чипе S3 801 (таких, как SPEA V7 Mirage), работающих совместно с некоторыми картами-контроллерами производства "Adaptec" с расширенной ROM-памятью, необходимой для обслуживания жестких дисков объемом свыше 1 ГБ.
Опция может называться "Decoupled Refresh Option".

Distributed Refresh

- (распределенная регенерация). Не совсем ясно, что "прячется" под этой опцией, хотя есть предположение, что это аналог "раздельной регенерации". В свое время данную опцию можно было встретить в системах на чипсетах от "VIA Technologies". Значения опции: "Disabled" и "Enabled".

DRAM Ahead Refresh

Опция, позволяющая включать ("Enabled") режим "предвидения" для цикла регенерации. Суть этого "предвидения" станет более понятна из следующей опции, которая становится активной при включении разрешения.
x DRAM Ahead Refresh Timing
- данная же опция по сути позволяет "отодвинуть" начало цикла регенации на 10 или 40 системных тактов. Небольшое, но все же повышение производительности. Столь уникальные опции были реализованы в системах на наборе SIS540 и более пока нигде не встречались.

DRAM Burst at 4 Refresh

Эта опция также связана с пакетной регенерацией, но суть ее иная. Разрешение опции ("Enabled") включает регенерацию по 4 строки в пакете. Такой метод заметно повышает производительность. При этом шина освобождается намного быстрее, чем в случае с опцией "Burst Refresh".

DRAM CAS# Precharge

- (время предварительного заряда CAS). Эта функция применяется при наличии в системе синхронной динамической памяти, и с ее помощью устанавливается (в тактах системной шины) время для формирования сигнала CAS (накопления заряда по CAS) до начала цикла регенерации памяти (см. ниже дополнительно "DRAM RAS# Precharge Time"). Уменьшение этого значения увеличивает быстродействие, но возможны проблемы со стабильностью системы, если в то же время установлены "пограничные" значения для RAS-строба. Если установлено слишком малое значение (время), также и регенерация может оказаться незавершенной, что в итоге приведет к потере данных, находящихся в памяти.
Опция может иметь наименования: "CAS# Precharge", "CAS# Precharge Time", "FPM CAS# Precharge", "FPM DRAM CAS Precharge", "EDO/FPM CAS Precharge Time", "EDO CAS# Precharge", "EDO DRAM CAS Precharge".
Большим разнообразием значений все перечисленные опции не отличаются. "1T", "2T" или такой ряд: "1T", "1T/2T", "2T". Некоторое разнообразие внесла опция "CAS Precharge Period": "1T", "2T", "3T", "4T".

DRAM RAS Only Refresh

Включение/отключение метода обновления DRAM, альтернативного методу "CAS-before-RAS". Если BIOS содержит другие возможности по регенерации памяти, то эту опцию необходимо отключить. В противном случае придется использовать этот устаревший метод обновления памяти.

DRAM RAS# Precharge Time

- (время предварительного заряда RAS). Эта функция применяется при наличии в системе синхронной динамической памяти и она позволяет устанавливать время (в тактах системной шины) для формирования сигнала RAS (иногда говорят о накоплении заряда по RAS) до начала цикла регенерации памяти. Фактически, тем самым устанавливается минимальный интервал между двумя последовательными циклами чтения или записи. Уменьшение этого значения увеличивает быстродействие. Но если установлено недостаточное время, регенерация может быть некомплектной, что в итоге приведет к потере данных, находящихся в памяти. Естественно, что за повышением частоты, на которой работает память, следует и выбор большего значения, что важно при разгоне памяти. Возможные значения могут быть представлены в различном виде: в виде цифровых значений - "3", "4" и т.д.; с указанием системных тактов - "3 Clocks" или "1T". А обобщенный ряд значений имеет следующий вид: 0T, 1T, 2T, 3T, 4T, 5T, 6T, хотя в каждом конкретном варианте может быть представлено 2-4 значения.
Опция может иметь множество названий: "DRAM RAS# Precharge Period", "RAS# Precharge Time", "RAS Precharge Timing", "RAS# Precharge Period", "FPM DRAM RAS# Precharge", "FPM RAS Precharge", "RAS# Precharge", "DRAM RAS Precharge", "EDO RAS Precharge", "EDO RAS# Precharge Time", "EDO RAS Precharge Timing", "FPM/EDO RAS# Precharge Time", "EDO/FPM RAS Precharge Time".
Как видим, опция не потеряла своей актуальности с появлением EDO-памяти и, что интересно, затем также BEDO- и SDRAM- модулей, поскольку данный параметр является одной из важнейших характеристик чипов памяти: "BEDO RAS Precharge", "SDRAM RAS Precharge Time".
Правда, кроме привычных параметров типа "3T" или "2 Clks" (эти значения и характерны для SDRAM-модулей) в различных версиях BIOS стали "встречаться" новые виды значений, таких как: "Same as FPM" и "FPM-1T", "Fast" и "Normal", "Fast" и "Slow". Для последней пары параметров "Slow" (медленно) равносильно увеличению количества тактов, что повышает стабильность работы системы, поэтому значение "Fast" следует устанавливать в случае уверенности в качестве модулей памяти. Что же касательно первой пары, то для опций вида "FPM DRAM RAS# Precharge" ряд значений мог иметь вид: 2T, 3T, 4T, 5T, 6T, а отсюда и возможный результат для SDRAM-памяти, хотя совершенно не очевидный.
Вполне возможна и ситуация, когда версия BIOS предоставляет возможность установки каких-либо параметров для каждого банка памяти в отдельности. Поскольку речь идет о "предзаряде" для RAS#-строба, то опция (опции!) может называться "Bank 0&1 (2&3)(4&5): EDO/SDRAM Precharge" со значениями: "3T/2T", "4T/3T".
"AMI BIOS" для "своей" опции "SDRAM RAS# Precharge" предложил дополнительное значение "Auto". Правда, один из вариантов опции "SDRAM RAS Precharge" представил и значения "Disabled"/"Enabled". Запрещать опцию можно только в случае абсолютной уверенности в модулях памяти, иначе неприятностей не избежать. Раз коснулись возможности запрещать/разрешать механизм предзаряда, то нужно отметить и возможность включать ("Enabled") оптимизацию предзаряда - "SDRAM: Optimal RAS# Prech.".
Для данной опции (опций!) необходимо отметить пару важных моментов. Нельзя путать данную опцию с опциями типа "Refresh RAS Active Time", которые отвечают за длительность сигнала RAS#. В нашем случае речь идет как бы о подготовительном процессе. И второе! Данную опцию совершенно правильно было бы разместить и в разделе, посвященном стандартной оптимизации памяти (см. ниже). Процедуры выставления сигнала RAS# и при регенерации, и при операциях чтения/записи идентичны.
В завершение вышесказанного опция "RAS# Precharge/Refresh" со значениями "3T/4T" и "4T/5T". Данной опцией устанавливаются одновременно и время подготовительной фазы, и общее время активности сигнала RAS# для цикла регенерации.

DRAM Refresh Method

Опция установки метода регенерации. Опция может называться также "Refresh Type", "DRAM Refresh Type", "DRAM Refresh Mode" или "Refresh Type Select". При любых вариациях опция, как правило, среди возможных параметров содержит только два параметра. Приводим весь возможный ряд: "CAS before RAS" (или "CAS-RAS"), "RAS only", "RAS# Before CAS#", "Normal", "Hidden".

DRAM Refresh Period

Установка периода (частоты повтора), требуемого для регенерации памяти, в соответствии со спецификацией модулей памяти. В новейших версиях BIOS такая опция может и не присутствовать, хотя ее наличие в современной системе по прежнему позволяет оптимизировать процесс регенерации. Ранее такая опция предлагала пользователю широкий простор для творчества: в зависимости от версии BIOS и его производителя, чипсета, модулей памяти. Опция могла также носить название "Refresh Cycle Time (us)", "DRAM Refresh Cycle Time", "Memory Refresh Rate", "DRAM Refresh Rate Select", "DRAM Refresh Rate","SDRAM Refresh Rate" или просто - "DRAM Refresh". Вот неполный перечень значений, с которыми мог встретиться пользователь:
"For 50 MHz Bus", "For 60 MHz Bus", "For 66 MHz Bus", "Disabled" (такой необычный вариант встретился в системе на i430FX),
"50/66 MHz", "60/60 MHz", "66/66 MHz",
"15 us", "30 us", "60 us", "120 us",
"Disabled" (или "No Refresh"), "15.6 us", "31.2 us", "62.4 us", "124.8 us", "249.6 us",
"15.6 us", "31.2 us", "62.4 us", "125 us", "250 us",
"15.6 us", "62.4 us", "124.8 us", "187.2 us",
"1040 Clocks", "1300 Clocks",
"15.6 us", "7.9 us", "FR 128 CLKs" (понятно, что речь идет о частоте - "frequency"),
"Disabled", "Normal",
"Fast", "Slow",
"Faster", "Slower",
"Disabled" (устанавливаются стандартные 15,6 мкс), "Enabled" (соответствует удвоению частоты).
Остается отметить, что чем реже производится регенерация памяти, тем эффективнее работает система. Но если явно наблюдаются нарушения в работе системы, то частоту обновления необходимо повысить. Значение "Disabled", появляющееся в некоторых версиях, не должно использоваться. В противном случае следует ожидать потери информации в памяти. И наконец, если пользователь видит на экране перед собой целый ряд значений для выбора, то это может означать, что в состав чипсета входит специальный конфигурационный регистр, в котором три разряда (или менее) "отданы" под возможные комбинации устанавливаемой частоты.
Как дополнение к изложенному рассмотрим еще некоторые опции и чипсеты, для которых они были реализованы:
"DRAM Refresh Ratery Time" (SIS530) - "15.6 us", "7.8 us", "3.9 us",
"Refresh Rate" (AMD751) - "20.4 us", "15.3 us", "10.2 us", "5.1 us".
Опция "Refresh Mode Select", несмотря на некоторое несоответствие в названии, предложила значения "7.8 ?sec", "15.6 ?sec", "64 ?sec", а опция "Refresh Interval" - "7.8 ?sec", "15.6 ?sec", "31.2 ?sec", "64 ?sec", "128 ?sec".
Вот тут и может возникнуть, с одной стороны, мнимое несоответствие, а с другой, некоторое непонимание сути представленных опций. Ведь в названиях опций упоминаются и "частота", и "период", и "интервал", и "время цикла". Поэтому требуется дополнительное разъяснение.
Понятно, что одновременно регенерировать всю динамическую память невозможно. Допустимо также говорить о построчной регенерации матрицы памяти (об этом см. выше). Тогда можно ввести сразу два понятия. Первое - временной интервал между регенерацией, например, соседних строк. Второе - время полного цикла регенерации, т.е. время, через которое необходимо будет снова регенерировать условную начальную строку. "Обычный" чип памяти содержит 4096 строк. Можно утверждать, что общее время цикла регенерации составляет 64 мсек (один из стандартов JEDEC). И тогда упомянутый интервал (период) регенерации составляет:
64000: 4096 = 15.6 ?sec.
Это означает, что каждые 15,6 мкс контроллер памяти инициирует цикл регенерации отдельной строки памяти. И это значение характерно для тех же модулей DIMM емкостью 128 Mbit или меньше. Если же речь идет о модулях емкостью 256 Mbit и более, то количество строк составит 8192 и интервал регенерации 7.8 ?sec, обусловленный сохранением времени общего цикла в 64 мсек. Если же в системе используются модули различной емкости, то временная характеристика регенерации устанавливается по модулю большей емкости, т.е. с более высокой частотой.
Необходимо отметить, что применявшиеся ранее модули памяти во многих случаях позволяли удлинить цикл регенерации, т.е. увеличить ее интервал, тем самым несколько повышая производительность системы.
И, конечно же, картина была бы неполной, если бы мы не вспомнили о RAMBUS DRAM . Мы не будем детально останавливаться на архитектуре этого типа памяти, напомним только, что структура и организация банков памяти носит многоканальный характер. Причем каждый канал данных представляет собой шину шириной всего в один (!) байт. Но за счет высокопроизводительного конвейера, высокоскоростной внутренней магистрали, синхронизируемой собственным тактовым генератором, пропускная способность шины памяти уже доведена до 3,2 ГБ/сек. Ну а теперь опция - "RDRAM Refresh Rate, Channel N", и ее значения: "No refresh", "1.95 us", "3.9 us", "7.8 us".

DRAM Refresh Queue

Этот параметр во включенном состоянии допускает использование более эффективного метода обновления памяти. Дело в том, что чипсет способен формировать последовательность нескольких запросов обновления памяти, пока шина процессора не будет готова к выполнению следующей операции. Речь здесь идет об использовании режима конвейеризации запросов на регенерацию памяти. "Enabled" разрешает постановку в очередь, как правило, 4 запросов регенерации памяти. Установка в "Disabled" означает отключение конвейеризации, что естественно снижает эффективность и приводит к проведению всех циклов регенерации либо по приоритету запросов, либо в соответствии с методами, изложенными в других опциях.
Данный режим должен быть всегда включен. "Enabled" устанавливается и по умолчанию. Одно условие! Установленные модули памяти должны поддерживать это свойство, большинство современных типов памяти поддерживают этот метод. Более того! Использование столь эффективного метода регенерации зависит и от реализации чипсетом таких функций, и от версии BIOS. В таком явном, "пользовательском", виде такая опция повстречалась в "AMI BIOS".
Опция может называться также "DRAM Refresh Queing".

DRAM Refresh Queue Depth

Данная опция позволяет установить степень ("глубину") конвейеризации, т.е. количество возможных ступенек конвейера. Чем выше это число, тем большее количество запросов на регенерацию в данное время находится в обработке. Возможные значения, что естественно зависит от указанных выше реализаций и возможностей, имеют вид:
"0" (равносильно "Disabled"), "4", "8", "12" (по умолчанию).
Опция может называться также "Refresh Queue Depth".

Extended Refresh

- (расширенная регенерация). Введение (в свое время) этой опции в BIOS предполагало использование специальных EDO-чипов. Регенерация содержимого ячеек EDO DRAM при этом стала производиться через 125 мкс, а не через каждые 15,6 мкс, как при стандартной регенерации. Это несколько повысило общее быстродействие памяти.

Fast DRAM Refresh

- (быстрая регенерация DRAM). Контроллер памяти предоставляет два режима регенерации памяти: стандартный (Normal) и скрытый (Hidden). В каждом из режимов CAS-строб выставляется перед RAS-сигналом, однако в режиме "Normal" для каждого строб-импульса выделяется дополнительный такт процессора. Это старый метод обновления памяти, и поэтому имеет смысл установить значение данного параметра в "Hidden", который обеспечивает и повышенное быстродействие, и большую эффективность (см. ниже), также и по причине того, что CAS-строб может и не выставляться - быть "скрытым".

Hidden Refresh

- (скpытая pегенеpация). Когда установлено значение "Disabled", память регенерируется по IBM AT методологии, используя циклы процессора для каждой регенерации. Когда опция "Hidden Refresh" установлена в "Enabled", контроллер памяти "ищет" наиболее удобный момент для регенерации, независимо от циклов CPU. При этом регенерация происходит одновременно с обычным обращением к памяти. Алгоритм регенерации памяти при этом многовариантен: разpешаются циклы pегенеpации в банках памяти, не используемых центральным процессором в данный момент, взамен или вместе с ноpмальными циклами регенерации, выполняемыми всякий pаз (каждые 15 мс) пpи опpеделенном пpеpывании (DRQ0), вызванном таймеpом и инициируемом схемой регенерации.
Для регенерации каждый pаз тpебуется до 4 мс. В течение этих 4 мс один цикл pегенеpации пpимеpно каждые 16 мкс pегенеpиpует по 256 стpок памяти (здесь и выше приведены характеристики для модулей памяти малой емкости). Каждый цикл pегенеpации занимает столько же или чуть меньше вpемени, чем один цикл чтения памяти, т.к. сигнал CAS для pегенеpации при этом не тpебуется.
"Hidden refresh" отличается максимальной скоростью и эффективностью, наименьшими нарушениями активности системы и наименьшими потерями производительности, также позволяя поддерживать состояние памяти во время нахождения системы в режиме "suspend". Этот режим более быстрый, чем "Burst Refresh". Но наличие в BIOS этой функции еще не означает ее реализации. После установки опции в "Enabled" стоит тщательно проверить работоспособность компьютера. Некотоpые модули памяти позволяют использовать "Hidden Refresh", некотоpые - нет. В большинстве случаев pекомендуется установить в "Enabled".

Hi-Speed Refresh

С помощью этой опции чипсет быстрее проведет регенерацию основной памяти. Правда, эффект от этой установки значительно меньше, чем от включения "Slow Refresh". Последний режим регенерации предпочтительнее. К тому же эта функция поддерживается не всеми чипами памяти.

ISA Refresh

Опция разрешения/запрещения проведения регенерации памяти для ISA-шины. В таком виде эта опция уже не встречалась даже в последние годы существования ISA-шины.

ISA Refresh Period

Установка периодичности для регенерации ISA-шины. Возможный ряд значений: "15 us", "30 us", "60 us", "120 us".

ISA Refresh Type

Опция с установкой метода регенерации памяти для ISA-шины. Возможные значения параметра: "Normal" и "Hidden". Аналогичная опция с названием "ISA Bus Refresh Mode" могла предложить другие значения: "Slow" и "Fast".

PCI-to-DRAM RAS# Precharge

Тема "предзаряда" уже достаточно нами освоена, поэтому стоит лишь сказать кратко о назначении данной опции - установка времени "предзаряда" строба RAS# при циклах записи PCI-шины в основную динамическую память. Значения опции: "2T", "3T".

RAS Precharge @Access End

Когда выбрано "Enabled", RAS#-строб остается в активном состоянии в конце процесса "предзаряда". Если же установлено "Disabled", RAS# переводится в пассивное состояние (высокий уровень).

RAS Timeout

Когда установлено значение "Disabled", цикл регенерации динамической памяти производится в стандартном режиме, т.е. каждые 15,6 мкс. Дополнительный цикл регенерации памяти вставляется при выборе значения "Enabled".

Ref/Act Command Delay

- (установка задержки для цикла чтения/записи). Параметром выбирается время задержки между окончанием цикла регенерации и началом цикла чтения или записи. Опция может принимать значения: "5T", "6T" (по умолчанию), "7T", "8T".
Система на наборе SIS530 предложила опцию под названием "DRAM Refresh/Active Delay" с чуть более консервативными значениями: "9T", "8T", "7T", "6T". Более развитый чипсет (SIS540) представил уже две опции: "DRAM REF/ACT Delay" ("10T", "9T") и "DRAM ACT/REF Delay" ("10T", "9T", "8T"). Понятно, что последняя опция предназначена для выбора задержки для режима регенерации после окончания цикла чтения/записи. Меньшие значения, конечно, более предпочтительны. Данная опция уже не встречается в современных системах.

Refresh During PCI Cycles

Опция, разрешающая/запрещающая проведение регенерации памяти во время циклов чтения/записи на шине PCI. Может принимать значения:
"Enabled" - разрешено,
"Disabled" - запрещено.

Refresh RAS# Assertion

- (установка периода активности сигнала RAS). Этим параметром устанавливается длительность сигнала RAS (в тактах системной шины) для цикла регенерации. Меньшее значение увеличивает производительность системы. Но поскольку принимаемые значения определяются качеством памяти и чипсетом, то к их установке необходимо подходить осмотрительно. Может принимать значения: "4T" (или "4 Clks"), "5T" (или "5 Clks"). Могут быть и другие значения.
Опция может называться также "Refresh Assertion", "Refresh RAS Active Time" или "RAS Pulse Width Refresh".

Refresh Value

Данной опцией устанавливался множитель частоты регенерации. Меньшее значение увеличивало производительность системы за счет снижения частоты регенерации. Но при этом также оптимальный вариант мог быть достигнут только опытной проверкой. Значения опции могли быть выбраны из ряда: 1, 2, 4, 8, 16. Иногда можно было встретить и значение 0,5. Опция эта давно уже не встречается.
Опция может называться "Refresh Divider".

Refresh When CPU Hold

Довольно устаревшая опция, предлагавшая производить регенерацию ("Enabled") или не делать этого ("Disabled") во время пауз процессора.

SDRAM Idle Limit

Данная опция устанавливает количество "пустых" тактов ожидания перед перезарядкой SDRAM-модулей. Оптимальная установка позволяет улучшить производительность циклов чтения/записи путем настройки интервала времени, в течение которого банк памяти может оставаться "пустым" перед перезарядкой (recharging), т.е. перед перезаписью содержимого памяти обратно в ячейки. При этом данная установка не может функционировать как задержка цикла регенерации.
Уменьшение количества тактов с 8 (по умолчанию) до 0 означает, что банк SDRAM-памяти будет немедленно регенерироваться как только контроллер памяти выставит достоверный запрос. При увеличении "SDRAM Idle Limit" от 8 тактов и более перезарядка банка будет задержана на большее время, тем самым возрастет время "хранения" информации из памяти во внутренних цепях. Пришедшая в это время команда чтения/записи будет исполнена мгновенно. Тогда приходится признать, что эффективность памяти возрастет, когда банк более длительное время будет оставаться "пустым". Но всегда есть свое НО! Во внутренних цепях перезарядки не хранятся все строки банка памяти, а только регенерируемой строки. Поэтому пришедший запрос, например, на чтение некоторой строки наверняка не "попадет в точку", и системе придется ожидать завершения регенерации, особенно в случае завышенного значения параметра.
В основном приходится выбирать между значениями в пределах между 0 и 8-ю тактами, правда, насколько позволит это версия BIOS. Конечно, подобная настройка требует серьезной опытной проверки. Поэтому, если есть возможность управлять частотой регенерации, то данную опцию лучше заблокировать. Опытным специалистам можно порекомендовать "поиграть" с двумя характеристиками.
Опция может называться "DRAM Idle Timer". Указанные опции предложили два ряда значений:
"Disabled", "0 Cycle", "8 Cycles", "12 Cycles", "16 Cycles", "24 Cycles", "32 Cycles", "48 Cycles",
"0 clocks", "2 clocks", "4 clocks", "8 clocks", "10 clocks", "12 clocks", "16 clocks", "32 clocks".
Подобные опции достаточно редки. Но вот система на достаточно современном чипсете AMD751 предложила сразу две:
"Idle Precharge Limit" с рядом "0 cycles", "8 cycles", "12 cycles", "16 cycles", "24 cycles", "32 cycles", "48 cycles" и "No idle precharge" и "Extra High Idle Limit" со значениями "Disabled"/"Enabled". Последняя опция разрешает или запрещает вставку дополнительного такта ожидания.

SDRAM Precharge Control

- (управление предварительным зарядом SDRAM). Данная опция определяет, чем управляется "предзаряд" SDRAM - центральным процессором или самой SDRAM-памятью. В некоторых версиях BIOS такая опция может называться (трактоваться) как "SDRAM Page Closing Policy" ("метод закрытия страниц SDRAM" - см. дополнительно в следующем разделе). Если эта опция отключена ("Disabled"), то все циклы процессора к SDRAM завершаются командой "All Banks Precharge Command" в интерфейсе SDRAM-памяти, что улучшает стабильность, но понижает производительность памяти. Если же эта опция включена ("Enabled"), то предварительный заряд контролируется самими чипами памяти. Это уменьшает количество предзарядов SDRAM, значительно возрастает число циклов CPU-to-SDRAM до того момента, когда требуется регенерация памяти. Это однозначно ведет к повышению общей производительности системы, но может влиять на ее стабильность.

SDRAM Refresh

Опция выбора метода регенерации для SDRAM-памяти. Возможные варианты: "Serial" (последовательный перебор строк при регенерации) и "Simultaneous" (одновременная регенерация). При рассмотрении опции "Burst Refresh" уже отмечались недостатки пакетной регенерации, при которой в единый пакет собираются запросы на регенерацию. "Перезарядка" строк происходит мгновенно, но пока не завершится полная регенерация, доступ к шине памяти будет невозможен. Поэтому об оптимальной установке для конкретной системы можно будет говорить после экспериментальных тестов.
Данная опция была замечена в системах, построенных на чипсетах SIS620, SIS600 и некоторых других.

Self-Refresh

Опция включения режима "саморегенерации" основной памяти (если установлено "Enabled"). Этот режим подробно описан выше, в вводной статье.
Опция может называться также "EDO/FPM DRAM Self-Refresh".

Slow Refresh (1:4)

- (медленная pегенеpация). При включении этой опции ("Enabled") схема регенерации будет в 4 раза реже регенерировать память (64 мкс против 16), чем в обычном pежиме. При такой установке пpоизводительность системы повышается благодаpя уменьшению конкуpенции между CPU и схемой pегенеpации, однако не все типы динамических ОЗУ могут поддеpживать такие циклы (в этом случае будет получено сообщение об ошибке четности или о сбое системы). Тогда необходимо установить значение "Disabled". Опция в свое время получила распространение с развитием такого типа ПК, как "laptop" (дорожный ПК), в качестве энергосберегающей функции. В современных системах эта опция встречается все реже.
В свое время считалось также, что применение "медленной регенерации" будет достаточно эффективным при использовании 16-битных ISA-карт расширения, работающих в режиме "bus master". Поскольку сама ISA-карта может быть инициатором запроса на регенерацию, то понятно, что "медленная регенерация" в меньшей степени бы нарушала передачу данных по DMA-каналам.
Опция может называться также "DRAM Slow Refresh", "Slow Refresh" или "Slow Refresh Enable".
Опция может называться и "Slow Memory Refresh Divider". Но этой опцией устанавливался делитель для медленной регенерации: 1, 4, 16 или даже 64. Устанавливать самые большие значения, т.е. в максимальной степени снижать частоту регенерации, позволяла только специальная память.

Staggered Refresh

Трудно переводимый тип регенерации, что-то наподобие "регенерации с перекатыванием". Но этим непонятным термином обозначают "шахматную" регенерацию. Как известно, регенерация выполняется на банках памяти последовательно, с последовательным перебором строк. Но при наличии нескольких банков памяти и включении данной опции банки памяти регенерируются одновременно, но со сдвигом по перебору строк.
Данный тип регенерации позволяет сгладить броски потребления модулями памяти, выравнивая токи в процессе различных переключений. Так как уменьшаются броски тока, то такая регенерация эффективна с точки зрения снижения помех.
С помощью этой несколько устаревшей опции есть возможность установки временного интервала между регенерируемыми строками, измеряемого в системных тактах (0T, 1T, 2T, 3T, 4T, 5T, 6T, 7T). Установка в "0" позволяет регенерировать все строки в банках одновременно. Но опция может предложить и обычный набор значений: "разрешить применение"/"отказать" ("Enabled" и "Disabled").
Опция может называться также "Refresh Stagger" или "DRAM Refresh Stagger By".

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.

Классификация типов памяти

Следует различать классификацию памяти и классификацию запоминающих устройств (ЗУ). Первая классифицирует память по функциональности, вторая же - по технической реализации. Здесь рассматривается первая - таким образом, в неё попадают как аппаратные виды памяти (реализуемые на ЗУ), так и структуры данных, реализуемые в большинстве случаев программно.

Доступные операции с данными

* Память только для чтения (read-only memory, ROM)

* Память для чтения/записи

Память на программируемых и перепрограммируемых ПЗУ (ППЗУ и ПППЗУ) не имеет общепринятого места в этой классификации. Её относят либо к подвиду памяти «только для чтения», либо выделяют в отдельный вид.

Также предлагается относить память к тому или иному виду по характерной частоте её перезаписи на практике: к RAM относить виды, в которых информация часто меняется в процессе работы, а к ROM - предназначенные для хранения относительно неизменных данных.

Энергозависимость

· Энергонезависимая память (англ. nonvolatile storage) - память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;

· Энергозависимая память (англ. volatile storage) - память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память, реализованная на ОЗУ, кэш-память.

o Статическая память (англ. static storage) - энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;

o Динамическая память (англ. dynamic storage) - энергозависимая память, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

1)Энергонезависимая память (англ. Non Volatile Random Access Memory, NVRAM) - подгруппа более общего класса энергонезависимых запоминающих устройств; разница заключается в том, что в отличие от жестких дисков, устройства NVRAM предлагают прямой доступ.

В более общем смысле, энергонезависимая память - любое устройство компьютерной памяти, или его часть, сохраняющее данные вне зависимости от подачи питающего напряжения. Однако подпадающие под это определение носители информации, ПЗУ, ППЗУ, устройства с подвижным носителем информации (диски, ленты) и другие носят свои, более точные названия.

Поэтому термин «энергонезависимая память» чаще всего употребляется более узко, по отношению к полупроводниковым БИС запоминающих устройств, которая обычно выполняется энергозависимой, и содержимое которой при выключении обычно пропадает. Под понятие энергонезависимой памяти подпадают по сути энергозависимая память, „энергонезависимость“ которой обеспечивается применением технологией с «ускользающе малым потреблением» (например) вкупе с подпиткой от миниатюрной батарейки или SSD.

Например, часы на системной плате персонального компьютера или ОЗУ современного RAID-контроллера.

2)Эне́ргозави́симая па́мять (англ. Volatile memory) - компьютерная память, которая требует постоянного использования электропитания для возможности удерживать записанную на неё информацию. Эта особенность является ключевым отличием энергозависимой памяти от энергонезависимой - последняя сохраняет записанную на неё информацию даже после прекращения подачи электропитания на неё. Энергозависимая память также изредка называется вре́менной памятью (англ. temporary memory).

Подавляющее большинство современных видов оперативной памяти с произвольным доступом являются энергозависимыми. Сюда относятся динамическая (DRAM) и статическая (SRAM) память с произвольным доступом. Ассоциативная память и DPRAM как правило реализуются через энергозависимую память. К ранним технологиям энергозависимой памяти относятся память на линиях задержки и запоминающая электронно-лучевая трубка.

2.1)Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) - полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти. Произвольный доступ (RAM - random access memory) - возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (тритов) (чаще байтов (трайтов), зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM - sequential access memory).

Преимущества

Быстрый доступ. SRAM - это действительно память произвольного доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.

Простая схемотехника - SRAM не требуются сложные контроллеры.

Возможны очень низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов.

Низкое энергопотребление.

Недостатки

Невысокая плотность записи (шесть-восемь элементов на бит, вместо двух у DRAM).

Вследствие чего - дороговизна килобайта памяти.

Тем не менее, высокое энергопотребление не является принципиальной особенностью SRAM, оно обусловлено высокими скоростями обмена с данным видом внутренней памяти процессора. Энергия потребляется только в момент изменения информации в ячейке SRAM.

Применение

SRAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объём ОЗУ невелик (единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счёт отсутствия сложного контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта время работы подпрограмм и отладка прямо на устройстве.

В устройствах с большим объёмом ОЗУ рабочая память выполняется как DRAM. SRAM’ом же делают регистры и кеш-память.

2.2)Динамическая память с произвольным доступом) - тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

Принцип действия

Физически DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти.

При отсутствии подачи электроэнергии к памяти этого типа происходит разряд конденсаторов, и память опустошается (обнуляется). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов ячеек и сохранения их содержимого, их необходимо периодически подзаряжать, прилагая к ним напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Такое динамическое поддержание заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Конденсаторы заряжают в случае, когда в «ячейку» записывается единичный бит, и разряжают в случае, когда в «ячейку» необходимо записать нулевой бит.

Важным элементом памяти этого типа является чувствительный усилитель-компаратор (англ. sense amp), подключенный к каждому из столбцов «прямоугольника». Он, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю строку целиком. Именно строка является минимальной порцией обмена с динамической памятью, поэтому обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

Регенерация

В отличие от быстрой, но дорогой статической памяти типа SRAM (англ. static random access memory), которая является конструктивно более сложным и более дорогим типом памяти и используется в основном в кэш-памяти, медленная, но дешёвая память DRAM изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости, которые быстро теряют заряд, поэтому информацию приходится обновлять через определённые промежутки времени во избежание потерь данных. Этот процесс называется регенерацией памяти. Он реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или же на кристалле центрального процессора. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка ячеек, и через 8-64 мс обновляются все строки памяти.

Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно тормозит работу системы, поскольку в это время обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, в современных типах DRAM не применяется. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса - расширенный, пакетный, распределённый; наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

Среди новых технологий регенерации - PASR (англ. Partial Array Self Refresh), применяемый компанией Samsung в чипах памяти SDRAM с низким уровнем энергопотребления. Регенерация ячеек выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные.

Параллельно с этой технологией реализуется метод TCSR (англ. Temperature Compensated Self Refresh), который предназначен для регулировки скорости процесса регенерации в зависимости от рабочей температуры.

Характеристики памяти DRAM

Основными характеристиками DRAM являются рабочая частота и тайминги.

При обращении к ячейке памяти контроллер памяти задаёт номер банка, номер страницы в нём, номер строки и номер столбца и на все эти запросы тратится время, помимо этого довольно большой период уходит на открытие и закрытие банка после самой операции. На каждое действие требуется время, называемое таймингом.

Основными таймингами DRAM являются: задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного доступа (англ. RAS to CAS delay), задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки, называемая временем рабочего цикла (англ. CAS delay), задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки (англ. RAS precharge). Тайминги измеряются в наносекундах или тактах, и чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память.

Типы DRAM

На протяжении долгого времени разработчиками создавались различные типы памяти. Они обладали разными характеристиками, в них были использованы разные технические решения. Основной движущей силой развития памяти было развитие компьютеров и центральных процессоров. Постоянно требовалось увеличение быстродействия и объёма оперативной памяти.