Большинство из применяемых в настоящее время типов микросхем оперативной памяти не в состоянии сохранять данные без внешнего источника энергии, т.е. являются энергозависимыми (volatile memory). Широкое распространение таких устройств связано с рядом их достоинств по сравнению с энергонезависимыми типами ОЗУ (non-volatile memory): большей емкостью, низким энергопотреблением, более высоким быстродействием и невысокой себестоимостью хранения единицы информации.

Энергозависимые ОЗУ можно подразделить на две основные подгруппы: динамическую память (DRAM - Dynamic Random Access Memory) и статическую память (SRAM - Static Random Access Memory).

Статическая и динамическая оперативная память

В статических ОЗУ запоминающий элемент может хранить записанную информацию неограниченно долго (при наличии питающего напряжения). Запоминающий элемент динамического ОЗУ способен хранить информацию только в течение достаточно короткого промежутка времени, после которого информацию нужно восстанавливать заново, иначе она будет потеряна. Динамические ЗУ, как и статические, энергозависимы.

Роль запоминающего элемента в статическом ОЗУ исполняет триггер. Такой триггер представляет собой схему с двумя устойчивыми состояниями, обычно состоящую из четырех или шести транзисторов (рис. 5.7). Схема с четырьмя транзисторами обеспечивает большую емкость микросхемы, а следовательно, меньшую стоимость, однако у такой схемы большой ток утечки, когда информация просто хранится. Также триггер на четырех транзисторах более чувствителен к воздействию внешних источников излучения, которые могут стать причиной потери информации. Наличие двух дополнительных транзисторов позволяет в какой-то мере компенсировать упомянутые недостатки схемы на четырех транзисторах, но, главное - увеличить быстродействие памяти.

Рис. 5.7. Запоминающий элемент статического ОЗУ

Запоминающий элемент динамической памяти значительно проще. Он состоит из одного конденсатора и запирающего транзистора (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Запоминающий элемент динамического ОЗУ

Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе интерпретируются как 1 или 0 соответственно. Простота схемы позволяет достичь высокой плотности размещения ЗЭ и, в итоге, снизить стоимость. Главный недостаток подобной технологии связан с тем, что накапливаемый на конденсаторе заряд со временем теряется. Даже при хорошем диэлектрике с электрическим сопротивлением в несколько тераом (10 12 Ом) используемом при изготовлении элементарных конденсаторов ЗЭ, заряд теряется достаточно быстро. Размеры у такого конденсатора микроскопические, а емкость имеет порядок 1СГ 15 Ф. При такой емкости на одном конденсаторе накапливается всего около 40 000 электронов. Среднее время утечки заряда ЗЭ динамической памяти составляет сотни или даже десятки миллисекунд, поэтому заряд необходимо успеть восстановить в течение данного отрезка времени, иначе хранящаяся информация будет утеряна. Периодическое восстановление заряда ЗЭ называется регенерацией и осуществляется каждые 2-8 мс,

В различных типах ИМС динамической памяти нашли применение три основных метода регенерации:

Одним сигналом RAS (ROR - RAS Only Refresh);

Сигналом CAS, предваряющим сигнал RAS (CBR - CAS Before RAS);

Автоматическая регенерация (SR - Self Refresh).

Регенерация одним RAS использовалась еще в первых микросхемах DRAM. На шину адреса выдается адрес регенерируемой строки, сопровождаемый сигналом RAS. При этом выбирается строка ячеек и хранящиеся там данные поступают на внутренние цепи микросхемы, после чего записываются обратно. Так как сигнал CAS не появляется, цикл чтения/записи не начинается. В следующий раз на шину адреса подается адрес следующей строки и т. д., пока не восстановятся все ячейки, после чего цикл повторяется. К недостаткам метода можно отнести занятость шины адреса в момент регенерации, когда доступ к другим устройствам ВМ блокирован.

Особенность метода CBR в том, что если в обычном цикле чтения/записи сигнал RAS всегда предшествует сигналу CAS, то при появлении сигнала CAS первым начинается специальный цикл регенерации. В этом случае адрес строки не передается, а микросхема использует свой внутренний счетчик, содержимое которого увеличивается на единицу при каждом очередном CBR-цикле. Режим позволяет регенерировать память, не занимая шину адреса, то есть более эффективен.

Автоматическая регенерация памяти связана с энергосбережением, когда система переходит в режим «сна» и тактовый генератор перестает работать. При отсутствии внешних сигналов RAS и CAS обновление содержимого памяти методами ROR или CBR невозможно, и микросхема производит регенерацию самостоятельно, запуская собственный генератор, который тактирует внутренние цепи регенерации.

Область применения статической и динамической памяти определяется скоростью и стоимостью. Главным преимуществом SRAM является более высокое быстродействие (примерно на порядок выше, чем у DRAM). Быстрая синхронная SRAM может работать со временем доступа к информации, равным времени одного тактового импульса процессора. Однако из-за малой емкости микросхем и высокой стоимости применение статической памяти, как правило, ограничено относительно небольшой по емкости кэш-памятью первого (L1), второго (L2) или третьего (L3) уровней. В то же время самые быстрые микросхемы динамической памяти на чтение первого байта пакета все еще требуют от пяти до десяти тактов процессора, что замедляет работу всей ВМ. Тем не менее благодаря высокой плотности упаковки ЗЭ и низкой стоимости именно DRAM используется при построении основной памяти ВМ.

Статическая и динамическая оперативная память

Глава 7. Запоминающие устройства ПК

После изучения главы вы должны знать:

запоминающие устройства трех уровней внутренней памяти ПК: микропроцессорную, основную и буферную кэш-память, их назначение, основные характеристики;

физическую и логическую структуру основной памяти, ее модули:SIPP,SIMM, DIMM и типы: DRAM, SDRAM, DRDRAM, DDRDRAM;

методы адресации ячеек основной памяти;

принципы организации виртуальной памяти;

назначение кэш-памяти разных уровней.

Персональные компьютеры имеют три основных уровня памяти:

l микропроцессорная память (МПП);

l основная память(ОП);

l внешняя память (ВЗУ).

К этим уровням добавляется промежуточная буферная или кэш-память. Кроме этого многие устройства ПК имеют собственную локальную память.

Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) трех основных типов памяти приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Сравнительные характеристики запоминающих устройств

Быстродействие первых двух типов запоминающих устройств измеряется временем обращения (t обр) к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств - двумя параметрами: временем доступа (t дост) и скоростью считывания (V счит):

l t обр - сумма времени поиска, считывания и записи информации (в литературе это время часто называют временем доступа, что не совсем строго);

l t дост - время поиска информации на носителе;

l V счит - скорость последовательного считывания смежных байтов информации.

Напомним общепринятые сокращения: с - секунда, мс - миллисекунда, мкс - микросекунда, нс - наносекунда; 1с = 10 6 мс = 10 6 мкс = 10 9 нс.

Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может формироваться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory - DRAM) или статического (Static Random Access Memory - SRAM) типа.

Память статического типа обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже DRAM. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров - схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго - необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых областей с накоплением зарядов - своеобразных конденсаторов, - занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки), затем, через некоторое время - адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти - динамическая. На подзаряд тратится и энергия и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Кэш-память

Кэш-память имеет несколько уровней. Уровни l1, L2 и L3 это регистроваякэш-память - высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы - быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

l в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

l в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, параллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня - L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у МП Pentium и Pentium Pro емкость этой памяти небольшая - по 8 Кбайт, у следующих версий МП Pentium по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на MB относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1–2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2–5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса, и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПКрост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память L1, L2, L3 на основе микросхем статической памяти.

В современных ПК применяется и кэш-память между внешними запоминающими устройствами на дисках и оперативной памятью, обычно относящаяся к 3-му уровню, реже, если есть кэш L3 на системной плате, к 4-му уровню. Кэш-память для ВЗУ создается либо в поле оперативной памяти, либо непосредственно в модуле самого ВЗУ.

Основная память

При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания.

Статическая память - SRAM (Static Random Access Memory), как и следует из ее названия, способна хранить информацию в статическом режиме - то есть сколь угодно долго при отсутствии обращений (но при наличии питающего напряжения). Ячейки статической памяти реализуются на триггерах - элементах с двумя устойчивыми состояниями. По сравнению с динамической памятью эти ячейки более сложны и занимают больше места в кристалле, однако они проще в управлении и не требуют регенерации. Быстродействие и энергопотребление статической памяти определяется технологией изготовления и схемотехникой запоминающих ячеек.
Самая экономичная статическая память КМОП (или CMOS Memory) в тоже время и самая медленная память такого типа, имеет время доступа более 100 наносекунд, но зато пригодна для длительного хранения информации при питании от маломощной батареи. Применяется CMOS память в персональных компьютерах для хранения данных о конфигурации и для реализации внутренних часов.
Самая быстродействующая статическая память имеет время доступа в несколько наносекунд, что позволяет ей работать на частоте системной шины процессора, не требуя от него тактов ожидания. Относительно высокая удельная стоимость хранения информации и высокое энергопотребление при низкой плотности упаковки элементов не позволяет использовать SRAM в качестве оперативной памяти компьютеров.
Статические запоминающие устройства (SRAM) имеют перед динамическими то преимущество, что у них время выборки практически равно времени цикла записи или чтения. Выполненная по той же технологии что и процессор, статическая память имеет высокое быстродействие. Главным ограничением в использовании статической памяти является стоимость. При равной емкости с динамической, статическая память примерно в четыре раза дороже. Поэтому данный вид памяти получил распространение в высокопроизводительных системах в качестве внешней (относительно процессора) кэш памяти. Соотношение цена/производительность в этих системах играет не столь существенную роль. Однако, с появлением микросхем статической памяти большой емкости и ее удешевлением произойдет изменение сложившегося стереотипа использования схем памяти и производители компьютеров, возможно, пойдут на замену динамической памяти статической, пока же элементы статической памяти используются в оперативной динамической памяти, как быстрый конвейерный буфер для подготовки данных к выдаче на шину данных каждый такт системной шины.
Структура микросхемы статической памяти
Элементом памяти в статических ОЗУ является триггер, выполненный на транзисторах. Структура микросхемы статической памяти (рис.1.) включает матрицу накопителя содержащую М x N элементов памяти.

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 сигнала без постоянной перезаписи, 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 -- sequental access memory).

Двоичная SRAM

Рис. 1.

Типичная ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на КМОП-технологии состоит из двух перекрёстно (кольцом) включённых инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке (рис. 1.). Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

Линия WL (Word Line) управляет двумя транзисторами доступа. Линии BL и BL (Bit Line) -- битовые линии, используются и для записи данных и для чтения данных.

Запись. При подаче «0» на линию BL или BL параллельно включенные транзисторные пары (M5 и M1) и (M6 и M3) образуют логические схемы 2ИЛИ, последующая подача «1» на линию WL открывает транзистор M5 или M6, что приводит к соответствующему переключению триггера.

Чтение. При подаче «1» на линию WL открываются транзисторы M5 и M6, уровни записанные в триггере выставляются на линии BL и BL и попадают на схемы чтения.

Восьмитранзисторная ячейка двоичной SRAM описана в .

Переключение триггеров через транзисторы доступа является неявной логической функцией приоритетного переключения, которая в явном виде, для двоичных триггеров, строится на двухвходовых логических элементах 2ИЛИ-НЕ или 2И-НЕ. Схема ячейки с явным переключением является обычным RS-триггером. При явной схеме переключения линии чтения и записи разделяются, отпадает нужда в транзисторах доступа (по 2 транзистора на 1 ячейку), но в самой ячейке требуются двухзатворные транзисторы.

В настоящее время появилась (!) усовершенствованная схема с отключаемой сигналом записи обратной связью, которая не требует транзисторов нагрузки и соответственно избавлена от высокого потребления энергии при записи.

Троичная SRAM

Рис. 2. Проект троичной SRAM на трёхразрядных однозначных троичных триггерах

Один логический элемент 2ИЛИ-НЕ состоит из двух двухзатворных транзисторов, три -- из шести, плюс три транзистора доступа, всего -- девять транзисторов на одну трёхразрядную ячейку памяти.

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.

Недостатки

· Высокое энергопотребление.

· Невысокая плотность записи (шесть 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.

DRAM (dynamic random access memory) -- тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM), также запоминающее устройство, наиболее широко используемое в качестве ОЗУ современных компьютеров.

Физически память DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, 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-память представляет собой модуль различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъём, необходимый для подключения модуля к материнской плате.

Рис. 3. Рис. 3.1

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 (англ. sense amp), подключенный к каждому из столбцов «прямоугольника». Он, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Именно страница является минимальной порцией обмена с динамической памятью, потому что обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

Регенерация

В отличие от 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, 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, не применяется в современных типах DRAM. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса -- расширенный, пакетный, распределённый; наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

память компьютерный триггер кэш

Триггеры

Триггер (триггерная система) -- класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения.

По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам -- их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти -- скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи. Используется для сверхбыстрого ОЗУ.