Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) являются неотъемлемой частью микропроцессорных систем различного назначения. ОЗУ делятся на два класса: статические и динамические. В статических ОЗУ запоминание информации производится на триггерах, а в динамических - на конденсаторах емкостью порядка 0,5 пФ. Длительность хранения информации в статических ОЗУ не ограничена, тогда как в динамических она ограничена временем саморазряда конденсатора, что требует специальных средств регенерации и дополнительных затрат времени на этот процесс.

Конструктивно любое ОЗУ состоит из двух блоков - матрицы запоминающих элементов и дешифратора адреса. По технологическим соображениям матрица чаще всего имеет двухкоординатную дешифрацию адреса - по строкам и столбцам. На рис. 9.45 показана матрица 16-битного статического ОЗУ. Матрица состоит из 16 ячеек памяти mem_i, схема которой приведена на рис. 9.46. Каждая ячейка памяти адресуется по входам X, Y путем выбора дешифраторами адресных линий по строкам АхО...АхЗ и по столбцам АуО...АуЗ (см. рис. 9.45) и подачи по выбранным линиям сигнала логической единицы. При этом в выбранной ячейке памяти срабатывает двухвходовой элемент И (U1), подготавливая цепи чтения-записи информации на входных DIO...DI3 или выходных DOO...D03 разрядных шинах. Разрешающим сигналом для выдачи адреса является CS (chip select - выбор кристалла), который подается на вход разрешения счетчика адреса (Addr_cnt) или такой же вход дешифраторов, подключенных к выходам счетчика.

При записи в ячейку памяти (см. рис. 9.46) на соответствующей разрядной шине устанавливается 1 или 0, на входе WR/RD" устанавливается сигнал 1 и после стробирования счетчика или дешифраторов адреса сигналом CS срабатывают элементы 2И U1, U2. Положительный перепад сигнала с элемента U2 поступает на тактовый вход D-триггера U4, в результате чего в нем записывается 1 или 0 в зависимости от уровня сигнала на его D-входе.

При чтении из ячейки памяти на входе WR/RD" устанавливается 0, при этом срабатывают элементы U1, U3, U5 и на вход РАЗРЕШЕНИЕ ВЫХОДА буферного элемента U6 поступает разрешающий сигнал, в результате чего сигнал с Q-выхода D-триггера передается на разрядную шину DOO...D03. Для проверки функционирования ячейки памяти используется генератор слова (рис. 9.47).

Современные запоминающие устройства статического типа отличаются высоким быстродействием и в микропроцессорных системах используются ограниченно из-за сравнительно высокой стоимости. В таких системах они используются только в качестве так называемой кэш-памяти . Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью, служащую для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти - в нее заносятся наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения может быть с гораздо большей скоростью из нее извлечено. При записи в память информация попадает в кэш и одновременно копируется в память (схема Write Through - прямая или сквозная запись) или копируется через некоторое время (схема Write Back - обратная запись). При обратной записи, называемой также буферизованной сквозной записью, информация копируется в память в первом же свободном такте, а при отложенной (Delayed Write) - когда для помещения в кэш нового значения не оказывается свободной области; при этом в основное ОЗУ вытесняются сравнительно редко используемые данные. Вторая схема более эффективна, но и более сложна за счет необходимости поддержания соответствия содержимого кэша и основной памяти.

Кэш-память состоит из области данных, разбитой на блоки (строки), которые являются элементарными единицами информации при работе кэша, и области признаков (tag), описывающей состояние строк (свободна, занята, помечена для дозаписи и т.п.). В основном используются две схемы организации кэша: с прямым отображением (direct mapped), когда каждый адрес памяти может кэшироваться только одной строкой (в этом случае номер строки определяется младшими разрядами адреса), и га-связный ассоциативный (ra-way associative), когда каждый адрес может кэшироваться несколькими строками. Ассоциативный кэш более сложен, однако позволяет более гибко кэшировать данные; наиболее распространены четырехсвязные системы кэширования.

Микропроцессоры 486 и выше имеют также внутренний (Internal) кэш объемом 8...16 Кбайт. Он также обозначается как Primary (первичный) или LI (Level I - первый уровень) в отличие от внешнего (External), расположенного на плате и обозначаемого Secondary (вторичный) или L2. В большинстве процессоров внутренний кэш работает по схеме с прямой записью, а в 486 (процессор Intel P24D и последние DX4-100, AMD DX4-120, 5х86) и Pentium он может работать и с отложенной записью. Последнее требует специальной поддержки со стороны системной платы, чтобы при обмене по DMA (прямое обращение к памяти устройств ввода-вывода) можно было поддерживать согласованность данных в памяти и внутреннем кэше. Процессоры Pentium Pro имеют также встроенный кэш второго уровня объемом 256 или 512 Кбайт.

В микропроцессорных системах в качестве ОЗУ чаще всего используются динамические ОЗУ с запоминающим конденсатором, которые отличаются большим многообразием. Приведем данные по наиболее распространенным типам таких ОЗУ .

В динамической памяти ячейки выполнены на основе областей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении информации. При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, который сохраняется в течение нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать (перезаписывать) ее содержимое. Ячейки микросхем динамической памяти также организованы в виде прямоугольной матрицы; 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). При каждом обращении к отдельной ячейке регенерируются все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенерации матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки динамической памяти имеют сравнительно малое быстродействие (десятки - сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка нескольких мегабайт на корпус) и меньшее энергопотребление.

Обычные ОЗУ называют часто асинхронными, так как установка адреса и подача управляющих сигналов могут выполняться в произвольные моменты времени, необходимо только соблюдение временных соотношений между этими сигналами. В них включены так называемые охранные интервалы, необходимые для установления сигналов. Существуют также синхронные виды памяти, получающие внешний синхросигнал, к импульсам которого жестко привязаны моменты подачи адресов и обмена данными; они позволяют более полно использовать внутреннюю конвейеризацию и блочный доступ.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM - динамическая память с быстрым страничным доступом), активно используется в последнее время. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержания сигнала RAS допускает многократную установку адреса столбца, стробируемого сигналом CAS, а также быструю регенерацию по схеме "CAS прежде RAS". Первое позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей, а второе - снизить затраты времени на регенерацию памяти.

EDO (Extended Data Out - расширенное время удержания данных на выходе) фактически представляют собой обычные микросхемы FPM, на выходе которых установлены регистры-защелки данных. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память ничем не отличается от обычной.

BEDO (Burst EDO - EDO с блочным доступом) - память на основе EDO, работающая не одиночными, а пакетными циклами чтения/записи. Современные процессоры благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд и данных обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной ширины. При наличии памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек, до- " статочно стробировать переход к очередному слову отдельным сигналом.

SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная динамическая память) - память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной (FPM/EDO/BEDO). Кроме синхронного доступа, SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основное преимущество SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где не требуется дополнительных тактов ожидания. При случайном доступе SDRAM работает практически с той же скоростью, что и FPM/EDO.

РВ SRAM (Pipelined Burst SRAM - статическая память с блочным конвейерным доступом) - разновидность синхронных SRAM с внутренней конвейеризацией, за счет которой примерно вдвое повышается скорость обмена блоками данных.

Кроме основного ОЗУ, устройством памяти снабжается и устройство отображения информации - видеодисплейная система. Такая память называется видеопамятью и располагается на плате видеоадаптера.

Видеопамять служит для хранения изображения. От ее объема зависит максимально возможное разрешение видеокарты - АхВхС, где А - количество точек по горизонтали, В - по вертикали, С- количество возможных цветов каждой точки. Например, для разрешения 640х480х16 достаточно иметь видеопамять 256 Кбайт, для 800х600х256 - 512 КБ, для 1024х768х65536 (другое обозначение - 1024x768x64k) - 2 Мбайт и т.д. Поскольку для хранения цветов отводится целое число разрядов, количество цветов всегда является целой степенью 2 (16 цветов - 4 разряда, 256 - 8 разрядов, 64k - 16 и т.д.).

В видеоадаптерах используются следующие типы видеопамяти.

FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic RAM - динамическое ОЗУ с быстрым страничным доступом) - основной тип видеопамяти, идентичный используемой в системных платах. Активно применялась до 1996 г. Наиболее распространенные микросхемы FPM DRAM - четырехразрядные DIP и SOJ, а также шестнадцатиразрядные SOJ.

VRAM (Video RAM - видео-ОЗУ) - так называемая двухпортовая DRAM с поддержкой одновременного доступа со стороны видеопроцессора и центрального процессора компьютера. Позволяет совмещать во времени вывод изображения на экран и его обработку в видеопамяти, что сокращает задержки и увеличивает скорость работы.

EDO DRAM (Extended Data Out DRAM - динамическое ОЗУ с расширенным временем удержания данных на выходе) - память с элементами конвейеризации, позволяющей несколько ускорить обмен блоками данных с видеопамятью.

SGRAM (Synchronous Graphics RAM - синхронное графическое ОЗУ) - вариант DRAM с синхронным доступом, когда все управляющие сигналы изменяются одновременно с системным тактовым синхросигналом, что позволяет уменьшить временные задержки.

WRAM (Window RAM - оконное ОЗУ) - EDO VRAM, в котором окно, через который обращается видеоконтроллер, сделано меньшим, чем окно для центрального процессора.

MDRAM (Multibank DRAM - многобанковое ОЗУ) - вариант DRAM, организованный в виде множества независимых банков объемом по 32 Кбайт каждый, работающих в конвейерном режиме.

Увеличение скорости обращения видеопроцессора к видеопамяти, кроме повышения пропускной способности адаптера, позволяет повысить максимальную частоту регенерации изображения, что снижает утомляемость глаз оператора.

Микросхемы памяти имеют четыре основные характеристики - тип, объем, структуру и время доступа. Тип обозначает статическую или динамическую память, объем показывает общую емкость памяти, а структура - количество ячеек памяти и разрядность каждой ячейки. Например, 28/32-выводные DIP-микросхемы SRAM имеют 8-разрядную структуру (8kx8, 16kx8, 32kx8, 64kx8, 128kx8), кэш объемом 256 Кбайт состоит из восьми микросхем 32kx8 или четырех микросхем 64kx8 (речь идет об области данных, дополнительные микросхемы для хранения признаков могут иметь другую структуру). Две микросхемы по 128kx8 поставить уже нельзя, так как нужна 32-разрядная шина данных, что могут обеспечить только четыре микросхемы. Распространенные РВ SRAM в 100-выводных корпусах PQFP имеют 32-разрядную структуру 32kx32 или 64kx32 и используются по две или по четыре в платах для Pentium.

30-контактные SIMM имеют 8-разрядную структуру и используются с процессорами 286, 386SX и 486SLC по две, а с 386DX, 486DLC и обычными 486DX - по четыре. 72-контактные SIMM имеют 32-разрядную структуру и могут использоваться с 486DX по одной, а с Pentium и Pentium Pro - по две. 168-контактные DIMM имеют 64-разрядную структуры и используются в Pentium и Pentium Pro по одной. Установка модулей памяти или микросхем кэша в количестве больше минимального для данной системной (материнской) платы позволяет ускорить работу с ними, используя принцип чередования (Interleave).

Время доступа характеризует скорость работы микросхемы и обычно указывается в наносекундах после тире в конце наименования. На более медленных микросхемах могут указываться только первые цифры (-7 вместо -70, -15 вместо -150), на более быстрых статических "-15" или "-20" обозначает реальное время доступа к ячейке. Часто на микросхемах указывается минимальное из всех возможных времен доступа, например, распространена маркировка 50 EDO DRAM вместо 70, или 45 - вместо 60, хотя такой цикл достижим только в блочном режиме, а в одиночном режиме микросхема по-прежнему имеет время доступа 70 или 60 нс. Аналогичная ситуация имеет место в маркировке РВ SRAM: 6 вместо 12, и 7 вместо 15. Микросхемы SDRAM обычно маркируются временем доступа в блочном режиме (10 или 12 нс).

ИМС памяти реализуются в корпусах следующих типов.

DIP (Dual In line Package - корпус с двумя рядами выводов) - классические микросхемы, применявшиеся в блоках основной памяти IBM PC/XT и ранних PC/AT, сейчас применяются в блоках кэш-памяти.

SIP (Single In line Package - корпус с одним рядом выводов) - микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально.

SIPP (Single In line Pinned Package - модуль с одним рядом игольчатых выводов) - модуль памяти, вставляемый в панель наподобие микросхем DIP/SIP; применялся в ранних IBM PC/AT.

SIMM (Single In line Memory Module - модуль памяти с одним рядом контактов) - модуль памяти, вставляемый в зажимный разъем; применяется во всех современных платах, а также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд контактов. На SIMM в настоящее время устанавливаются преимущественно микросхемы FPM/EDO/BEDO.

DIMM (Dual In line Memory Module - модуль памяти с двумя рядами контактов) - модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами (обычно 2х84), за счет чего увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле. Применяется в основном в компьютерах Apple и новых платах Р5 и Р6. На DIMM устанавливаются микросхемы EDO/BEDO/SDRAM.

CELP (Card Egde Low Profile - невысокая карта с ножевым разъемом на краю) - модуль внешней кэш-памяти, собранный на микросхемах SRAM (асинхронный) или РВ SRAM (синхронный). По внешнему виду похож на 72-контактный SIMM, имеет емкость 256 или 512 Кбайт. Другое название - COAST (Cache On A STick - буквально "кэш на палочке").

Модули динамической памяти кроме основных ячеек памяти могут иметь дополнительные ячейки для хранения битов четности (Parity) для байтов данных; такие SIMM иногда называют 9- и 36-разрядными модулями (по одному биту четности на байт данных). Биты четности служат для контроля правильности считывания данных из модуля, позволяя обнаружить часть ошибок (см. разд. 9.7). Модули с битами четности имеет смысл применять лишь там, где нужна очень высокая надежность. Для обычных применений подходят и тщательно проверенные модули без битов четности, однако при условии, что системная плата поддерживает такие типы модулей.

Проще всего определить тип модуля по маркировке и количеству микросхем памяти на нем: например, если на 30-контактном SIMM две микросхемы одного типа и еще одна - другого, то две первых являются основными (каждая - по четыре разряда), а третья предназначена для хранения битов четности (она одноразрядная).

В 72-контактном SIMM с двенадцатью микросхемами восемь из них хранят данные, а четыре - биты четности. Модули с количеством микросхем 2, 4 или 8 не имеют памяти для хранения битов четности.

Иногда на модули ставится так называемый имитатор четности - микросхема-сумматор, выдающая при считывании ячейки всегда правильный бит четности. В основном это предназначено для установки таких модулей в платы, где проверка четности не отключается.

72-контактные SIMM имеют четыре специальных линии PD (Presence Detect - обнаружение наличия), на которых при помощи перемычек может быть установлено до 16 комбинаций сигналов. Линии PD используются в некоторых материнских платах для определения наличия модулей памяти в разъемах и их параметров (объема и быстродействия). В большинстве универсальных плат производства "третьих фирм", как и выпускаемые ими SIMM, линии PD не используются.

В модулях DIMM в соответствии со спецификацией JEDEC технология PD реализуется при помощи перезаписываемого ПЗУ с последовательным доступом (Serial EEPROM) и носит название Serial Presence Detect (SPD). ПЗУ представляет собой 8-выводную микросхему, размещенную в углу платы DIMM, а его содержимое описывает конфигурацию и параметры модуля. Системные платы с набором микросхем (чипсетами) 440LX/BX могут использовать SPD для настройки системы управления памятью. Некоторые системные платы могут обходиться без SPD, определяя конфигурацию модулей обычным путем.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие типы памяти существуют?

2. Проведите моделирование ячейки статической памяти на рис. 9.46. Задачей моделирования является выбор двоичных комбинаций для сигналов на входе ячейки и регистрация результата на выходе ячейки с помощью индикатора IND.

3. На базе схемы на рис. 9.45 разработайте схему четырехразрядного ОЗУ с применением генератора слова. При этом в схеме на рис. 9.45 используйте только 4 младших адреса (два по строкам и два по столбцам) и соответственно только две шины данных (две входные и две выходные). К выходным шинам подключите индикаторы.

4. Где в современных компьютерах используется память статического типа?

5. Чем отличается динамическая память от статической?

6. Какие типы динамической памяти используются в современных компьютерах?

7. Что такое видеопамять и как она связана с характеристиками отображаемой на дисплее информации?

8. Какие типы памяти используются в качестве видеопамяти?

9. Какое конструктивное оформление имеют микросхемы памяти?

Типы ОЗУ.

Оперативная память – это память для временного хранения команд и данных, используемых в процессе работы ЭВМ. Она обеспечивает оперативный доступ к требуемой информации процессору, видеокарте и другим элементам ЭВМ, и временное хранение результатов их работы.

В принципе, к оперативной памяти можно отнести любой тип память, как энергонезависимый, так и зависимый, но обладающий достаточным быстродействием, масштабируемостью и надежностью для обеспечения работы процессора и других быстрых компонентов компьютера.

Однако на данный момент оперативную память можно разделить на три типа:

1. Динамическая память (DRAM) – энергозависимая полупроводниковая память с произвольным доступом, в которой каждый разряд храниться в конденсаторе, требующем постоянной регенерации для сохранения информации.

2. Статическая память (SRAM) – энергозависимая полупроводниковая память с произвольным доступом, в которой каждый разряд хранится в триггере, позволяющем поддерживать состояние разряда без постоянной перезаписи.

3. Магниторезистивная оперативная память (MRAM) – это энергонезависимое запоминающее устройство с произвольным доступом, сохраняющее информацию при помощи магнитных моментов, а именно, направления намагниченности ферромагнитного слоя ячейки памяти.

Это деление будет верно, только если не учитывать устаревшие типы памяти, такие как память на ртутных линиях задержки, запоминающие электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), память на магнитных сердечниках и так далее, описанных в статье “ЭВМ первого поколения”.

И перспективные разработки, такие как:

FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) – сегнетоэлектрическая память, основывающаяся на сегнетоэле?ктриках – диэлектриках, способных менять дипольный момент под действием температуры и внешнего электрического поля;

PCM (Phase Change Memory) – память, основанная на изменении фазового состояния вещества (Ха?лькогени?да) с кристаллического на аморфный и обратно;

PMC (Programmable Metallization Cell) – память на базе программируемой металлизации ячейки, основанной на изменении положения атомов под действием электрического заряда;

RRAM (Resistive Random-Access Memory) – резистивная память, построенная на основе элементов, способных изменять свое сопротивление, в зависимости от величины пропущенного через них тока;

и множество других типов памяти, пока еще не вышедших на рынок в массовом порядке или вообще находящихся в стадии разработки или лабораторного тестирования.

Причем, принцип работы многих из считающихся сегодня перспективными типами памяти был разработан десять и более лет назад, однако из-за дороговизны или сложности производства эти типы памяти не стали популярными, или их разработка вообще не была завершена. И только сейчас на них обратили пристальное внимание.

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.
1.1. Работа динамической памяти в состоянии покоя.
1.2. Работа динамической памяти при чтении данных и регенерации.
1.3. Работа динамической памяти при записи данных.
2. Этапы модернизации динамической оперативной памяти.
2.1. PM DRAM.
2.2. FPM DRAM.
2.3. EDO-DRAM.
2.4. SDRAM.
2.5. DDR SDRAM.
2.6. DDR2 SDRAM.
2.7. DDR3 SDRAM.
2.8. DDR4 SDRAM.
3. Достоинства и недостатки динамической памяти.

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.

ОЗУ динамического типа

В запоминающих устройствах динамического типа информация хранится в виде заряда на конденсаторе. Поэтому питание на ОЗУ подается не постоянно, а только в очень короткие промежутки времени. Оно используется для восстановления заряда на конденсаторах матрицы ОЗУ. Благодаря импульсному питанию динамические ОЗУ потребляют в тысячи раз меньше мощности, чем аналогичные по емкости статические.

В микросхемах динамической памяти функции запоминающих элементов выполняют электрические конденсаторы, образованные внутри МДП-структуры. Поскольку время сохранения заряда на конденсаторе ограничено, необходимо предусмотреть восстановление (регенерацию) записанной информации. Период регенерации для динамических ОЗУ равен нескольким миллисекундам (для микросхем серии К565 время регенерации 2 мс).

Микросхемы (МС) большинства динамических ОЗУ с целью уменьшения количества выводов построены с мультиплексированием кода адреса: вначале в МС вводят код строки А0 – А7, фиксируя его во входном регистре стробирующим сигналом RAS (Row Address Strobe ), а затем код адреса столбца А8 – А13, фиксируя его во внутреннем регистре стробирующим сигналом CAS (Column Address Strobe ).

В режиме регенерации микросхема ОЗУ изолируется от информационных входа и выхода за счет подачи сигнала CAS = 1. Следовательно, адресуются только строки, т.к. регенерация информации происходит во всех элементах памяти строки одновременно.

Перебирая адреса строк, устройство регенерации обеспечивает восстановление информации во всей матрице накопителя. Условное обозначение БИС динамического ОЗУ типа К565РУ5 и временная диаграмма функционирования показаны на рисунке 5.6.

Схема динамической ячейки памяти на 8 транзисторах показана на рисунке 5.7. Она отличается от аналогичной ячейки статического ОЗУ только тем, что затворы транзисторов Т3 и Т6 соединены с генератором импульсов регенерации, а не с источником питания.

Рисунок 5.7 - Схема ячейки памяти динамического ОЗУ	Рисунок 5.8 – Схема однотранзисторной ячейки динамического ОЗУ

За счет уменьшения количества транзисторов на одну ячейку удалось существенно увеличить емкость динамической памяти, располагаемой на одном кристалле и снизить потребление энергии от источника питания.

5.5. Постоянные запоминающие устройства

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) являются энергонезависимыми устройствами, служащими для хранения цифровых данных. ПЗУ могут быть построены на пассивных элементах (плавких перемычках П или диодах D) или активных (транзисторах). Схема ПЗУ представляет собой матрицу (рисунок 5.9) количество горизонтальных линий равно разрядности хранимого слова, а число вертикальных – количеству хранимых слов.

Как видно из схемы, при активации адресной линии вертикальная шина соединяется с сигнальной землей и диоды, подключенные к этой шине, шунтируют линии данных на "землю". Таким образом, если горизонтальная линии данных соединена с вертикальной через диод (или перемычку), то при выборе адресной линии, на выходе линии данных будет потенциал близкий к нулю, т. е. логический 0. Если диод или перемычка отсутствуют в данном узле, то на соответствующем выходе линии данных присутствует высокий потенциал, близкий к Е П , т.е. логическая 1. Обычно такие ПЗУ изготавливаются со всеми диодами (или плавкими перемычками) в узлах матрицы. В тех узлах, в которых диод или перемычка должны отсутствовать, их убирают путем выжигания. Эта процедура выполняется в процессе программирования ПЗУ и называется "прожиганием ПЗУ".

Рисунок 5.9 – Схема матричного ПЗУ

Запись информации в ПЗУ осуществляется пословно (побайтно). Для занесения информации в ячейку ПЗУ необходимо на линии данных, в которых должна быть "1", подать высокий потенциал (≈ 25 В) и выбрать соответствующую адресную линию, т.е. соединить ее с сигнальной землей. Протекающий ток расплавляет диод или плавкую перемычку, исключая тем самым шунтирующую цепь соответствующей линии данных.

Недостаток рассмотренной схемы ПЗУ состоит в том, что после занесения информации в это устройство ее нельзя изменить. То есть, при изменении программы, подлежащей хранению в ПЗУ, необходимо запрограммировать новое устройство. Для устранения этого недостатка разработаны полупостоянные электрически перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ЭППЗУ). Схема ЭППЗУ подобна ПЗУ на основе МОП транзисторов, однако транзисторы в таком устройстве имеют "плавающий" затвор, который электрически изолирован оксидным слоем полупроводникового материала. Схема ЭППЗУ изображена на рисунке 5.10. При подаче на "плавающий" затвор (ПЗ) положительного потенциала по отношению к стоку транзистора на ПЗ индуцируется электрический заряд, который за счет высококачественной изоляции может сохраняться до 10 лет и более. Благодаря этому заряду транзистор находится в открытом состоянии, при котором сопротивление Сток-Исток становится близким к нулю.

ПЗУ с электрическим стиранием

ПЗУ с УФ стиранием

ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым излучением в настоящее время наиболее широко используются в микропроцессорных системах. В БИС таких ПЗУ каждый бит хранимой информации отображается состоянием соответствующего МОП-транзистора с плавающим затвором (у него нет наружного вывода для подключения). Затворы транзисторов при программировании «1» заряжаются лавинной инжекцией, т.е. обратимым пробоем изолирующего слоя, окружающего затвор под действием электрического импульса напряжением 18 – 26 В. Заряд, накопленный в затворе, может сохраняться очень долго из-за высокого качества изолирующего слоя. Так, например, для ППЗУ серии К573 гарантируется сохранение информации не менее 15 – 25 тысяч часов во включенном состоянии и до 100 тысяч часов (более 10 лет) - в выключенном.

Они позволяют производить как запись, так и стирание (или перезапись) информации с помощью электрических сигналов. Для построения таких ППЗУ применяются структуры с лавинной инжекцией заряда, аналогичные тем, на которых строятся ППЗУ с УФ стиранием, но с дополнительными управляющими затворами, размещаемыми над плавающими затворами. Подача напряжения на управляющий затвор приводит к рассасыванию заряда за счет туннелирования носителей сквозь изолирующий слой и стиранию информации. По этой технологии изготовляют микросхемы К573РР2.

Достоинства ППЗУ с электрическим стиранием: высокая скорость перезаписи информации и значительное допустимое число циклов перезаписи - не менее 10000.

15.2.1 Статические ОЗУ

Рассматриваемые типы запоминающих устройств (ЗУ) применяются в компьютерах для хранения информации, которая изменя­ется в процессе вычислений, производимых в соответствии с программой, и называются оператив­ными (ОЗУ). Информация, записанная в них, раз­рушается при отключении питания.

Главной частью ЗУ является накопитель, состоящий из триггеров

Рисунок 4.6 – Матрица ЗУ

Накопитель двухкоордииатпого ЗУ состоит из нескольких матриц (Рисунок 4.6), количество которых определяется числом разрядов записываемого слова. Запоминаю­щие элементы(ЗЭ) одной матрицы расположены на пересечении адресных шин Х строк и Y столбцов, имеют одну общую для всех элементов разрядную шину. В ЗЭ одной матрицы записываются одноимен­ные разряды всех слов, а каждое слово - в идентично расположенные запоминающие элементы ЗЭ i , всех матриц, составляющие ячейку памяти. Таким обра­зом, в двухкоординатное четырехматричное ЗУ, матрицы которого содержат по 16 запоминающих элемен­тов (рис. 4), можно записать 16 четырехразрядных слов.

В них запоминающий элемент содержит только один транзисторн. (рис.15-5)

Рисунок 4.7 – Элемент динамической ОЗУ

Информация в таком элементе хранится в виде заря­да на запоминающем конденсаторе, обкладками которо­го являются области стока МОП-транзистора и подлож­ки. Запись и считывание ннформаини производятся пу­тем открывания транзистора по затвору и подключения тем самым заноминаюшей емкости к схеме усилителя-регенератора. Последний, по существу является триггерным элементом,который В зависимости от предварительной подготовки или принимает (счи­тывает) цнформацию из емкоетной запоминающец ячейки, устаиавливаясь при этом в состояние 0 пли 1,или, наоборот, в режиме записи соотвегствующим образом заряжает ячейку, будучи иредварительно установленным в 0 нли 1

В режиме чтения триггер усилителя - регенератора в иачале специальным управляющим сигналом устанав­ливается в неустойчивое равновесное состояние, из которого при подключении к нему запоминающей емкости

он переключается в 0 или I. При этом в начале он по­требляет часть заряда, а затем при установке в усгойчивое состояние, возвращает его ячейке осуществляя таким образом регенерацию ее состояния. В режиме хранения информации необходимо периодически производить регенерацию для компенсации ес­тественных утечек заряда.максимальный период цикла регенерации для каждой из ячеек обычно составляет 1 - 2 мс.

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

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут “стекать” и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы, однако он может быть встроен и в процессор, как в процессорах Athlon 64 и Opteron), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мс. Это означает, что каждые 15 мс прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

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

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

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

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

Типы ОЗУ и производительность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).

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

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

Быстродействие памяти

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

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

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

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

Контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Контроль четности

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

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

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

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

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

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

Схема проверки четности

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

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

Значение бита: 1 0 1 1 0 0 1 1 0

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

Рассмотрим еще один пример.

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

Значение бита: 0 0 1 1 0 0 1 1 1

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

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

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

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

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

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

Код коррекции ошибок

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

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

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

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

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

Вывод

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

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