Файл: 2.12-к Внутрішня пам\'ять.pdf

Тема 2.12: Внутрішня пам'ять комп’ютера.

Мета: Ознайомити з видами, будовою, основними властивостями та характеристиками внутрішньої пам’яті комп’ютера.

Перелік питань для вивчення.

1.Призначення та види пам’яті комп’ютера.

2.Внутрішня пам’ять.

3.Логічна структура та принципи роботи внутрішньої пам'яті.

4.Енергозалежна пам'ять.

5.Динамічна (оперативна) пам’ять.

6.Постійна пам’ять.

7.Основні характеристики внутрішньої пам'яті.

1. Призначення та види пам’яті комп’ютера.

Одним з основних елементів системного блоку є пам’ять.

Характеристикипам’яті в значніймірі визначають продуктивність роботи комп’ютера.

Недостатній об’єм або незадовільні параметри пам’яті можуть звести нанівець ефективність роботи комп’ютера з найсучаснішим процесором.

Пам’ять призначена для збереження даних та програм.

В залежності від фізичної будови та призначення пам’ять поділяють на два види:

1)внутрішня пам’ять;

2)зовнішня пам’ять.

За способом зберігання даних пам’ять також поділяють на два види:

1)тимчасова енергозалежна пам’ять;

2)постійна енергонезалежна пам’ять.

Енергозалежна пам’ять працює тільки при наявності електроживлення. При вимкненні

живлення комп’ютера інформація з енергозалежної пам’яті зникає.

Енергонезалежна пам’ять зберігає інформацію постійно, навіть після вимкнення живлення комп’ютера.

2. Внутрішня пам’ять.

До внутрішньої відносяться такі типи пам’яті:

1)оперативна пам’ять;

2)пам’ять BIOS;

3)пам’ять пристроїв комп’ютера.

Оперативну пам’ять скорочено позначають RAM (англ. Random Access Memory – пам’ять

здовільним доступом).

Воперативній пам'яті знаходяться операційна система, сервісні програми та прикладні програми користувачів. Будь-яку програму можна виконувати тільки з оперативної пам'яті.

Оперативна пам'ять - це енергозалежна пам'ять, після вимкнення електроживлення її вміст зникає.

Оскільки в момент увімкнення комп'ютера оперативна пам'ять порожня, комп'ютер починає завантажуватися з програми, розміщеної в енергонезалежній пам'яті BIOS.

Майже всі сучасні пристрої комп'ютера містять блоки постійної та тимчасової пам'яті. В постійній пам'яті пристрою зберігаються дані, які використовуються під час його роботи.

Тимчасову пам'ять найчастіше використовують як кеш-пам'ять (наприклад, у процесорі), або для зберігання яких-небудь параметрів (наприклад, мікросхема CMOS на материнській платі).

3. Логічна структура та принципи роботи внутрішньої пам'яті.

Елементами внутрішньої пам'яті комп'ютера є комірки. Ємність комірки пам'яті кратна одному байту.

Кожна комірка пам'яті має свою адресу.

Комірки пам'яті організовані в матрицю, яка складається з рядків і стовпців (рис. 2.12.1). Повна адреса комірки містить два компоненти - адресу рядка та адресу стовпця.

Внутрішня пам'ять реалізується в одній чи декількох мікросхемах, кожна з яких має мат-

ричну структуру.

Керування доступом до пам'яті виконує контроллер пам'яті, який знаходиться в мікросхемі північного моста чіпсету материнської плати. Сучасні процесори мають вбудовані контроллери пам'яті.

Спрощену схему роботи внутрішньої пам'яті можна описати наступним чином (рис. 2.12.1):

1)процесор передає адресу комірки пам'яті, до якої він звертається, з своєї адресної шини на шину адрес мікросхеми пам'яті;

2)контроллер пам'яті звертається до дешифратора адрес мікросхеми пам'яті;

3)дешифратор знаходить необхідну комірку пам'яті;

4)відбувається зчитування або запис даних в комірку пам'яті;

5)дані з комірки пам'яті передаються в буфер введення-виведення пам'яті;

6)дані з буфера введення - виведення передаються на шину даних пам'яті;

7)блок регенерації виконує оновлення даних комірок матриці.

Рис. 2.12.1 Cхема роботи внутрішньої пам'яті.

Кожна з розглянутих команд відбувається за деякий час. Точніше кажучи, кожна команда потребує різну кількість тактів роботи процесора.

Загальний час, необхідний для виконання всіх команд, виражений в тактах роботи проце-

сора, називають таймінгом.

Таймінг записують у вигляді послідовності цифр, де кожна цифра означає кількість так-

тів, необхідних для виконання однієї певної команди (наприклад 3-3-2-8).

4. Енергозалежна пам'ять.

Існує два різновиди енергозалежної пам'ятї:

1)динамічна;

2)статична.

Динамічну пам'ять позначають DRAM (Dynamic RAM).

Вмікросхемах динамічної пам’яті кожна комірка - це конденсатор. Він може знаходитися

взарядженому або розрядженому стані. Зарядженому стану конденсатора відповідає одиниця, розрядженому - нуль.

Конденсатори швидко розряджаються, їм потрібна постійна підзарядка, на яку витрача-

ється багато часу. Тому швидкодія динамічної пам’яті є найнижчою. Статичну пам'ять позначають SRAM (Static RAM).

Кожна комірка статичної пам’яті – це тригер, виконаний на транзисторах.

Транзистори не потребують постійної підзарядки. Це забезпечує, на відміну від динамічної пам'яті, майже необмежений час зберігання даних при дуже малих витратах електроенергії.

Крім того, швидкість читання-запису даних у статичній пам'яті вища, ніж у динамічній. Однак, статична пам'ять має два істотні недоліки:

1)більші габаритні розміри;

2)технологічна складність і висока вартість.

Тому оперативну пам'ять комп'ютера реалізовано на основі динамічної пам'яті.

Статичну пам'ять використовують там, де ємність пам'яті невелика та потрібний швидкий доступ до даних, тобто в кеш-пам'яті.

Пам'ять CMOS також реалізовано як статичну пам'ять.

Статичну пам'ять також використовують у мікроконтроллерах різних електронних пристроїв.

5. Динамічна (оперативна) пам’ять. Моделі динамічної пам'яті.

В перших моделях динамічної пам'яті використовувався асинхронний метод доступу, тобто

частота роботи пам'яті не була синхронізована з частотою шини пам'яті системної плати.

Звичайно, ефективність роботи таких моделей була невисокою.

Це були наступні моделі:

-звичайна DRAM (Conventional DRAM);

-FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM – DRAM з швидким доступом до сторінок);

-EDO DRAM (Extended Data Out DRAM - DRAM з розширеним виведенням даних);

До нашого часу всі ці моделі не збереглися.

Наступним кроком в розвитку динамічної пам’яті було застосування синхронізації часто-

ти роботи пам'яті з частотою шини пам'яті системної плати.

Цей метод був застосований в наступних моделях динамічної пам’яті:

SDRAM (Synchronous DRAM) – синхронна динамічна пам’ять DRAM.

Час доступу до даних у SDRAM скоротився за рахунок вилучення тактів очікування. В наш час моделі SDRAM майже не використовуються.

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – модель SDRAM з подвійною швидкістю переда-

вання даних за один такт. В наш час моделі DDR SDRAM майже не використовуються.

DDR2 SDRAM – покоління DDR SDRAM, в якому швидкість передавання даних порівняно з DDR SDRAM збільшена в два рази. Моделі DDR2 SDRAM в сучасних комп’ютерах майже не зас-

тосовуються.

DDR3 SDRAM – покоління DDR SDRAM з низьким енергоспоживанням, в якому швидкість передавання даних порівняно з DDR2 SDRAM збільшена в два рази. Моделі DDR3 SDRAM широко

використовуються в сучасних комп’ютерах.

RDRAM (Rambus DRAM) - мікросхеми пам'яті фірми Rambus. Технологія роботи схожа на роботу SDRAM. В них також застосована унікальна шина даних між мікросхемами пам’яті. Моделі RDRAM використовувались у високопродуктивних комп’ютерах у 1999-2002 роках, але в наш час вони не знайшли широкого застосування.

Конструктивні виконання динамічної пам'яті.

У перших ПK мікросхеми оперативної пам'яті встановлювали безпосередньо на материнську плату.

Але зі збільшенням ємності пам'яті такі мікросхеми почали займати надто багато місця на системній платі.

Тому ці мікросхеми разом з допоміжними компонентами почали кріпити до карти – модуля пам'яті (рис 2.12.2).

Ці модулі встановлюють у спеціальні слоти розширсння на материнській платі.

Модулі пам'яті мають різну кількість контактів (позолочених чи луджених), а також різну кількість та неоднакове розташування ключів. Ключем називають виріз у модулі пам'яті, який ра-

зом з виступом у слоті розширення запобігає неправильному встановленню модуля.

Залежно від розміру або форм-фактора розрізняють наступні види модулів:

1)SIMM-модулі – містять застарілі мікросхеми динамічної пам'яті;

2)DIMM-модулі – можуть містити мікросхеми SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM або

DDR3 SDRAM;

3)SODIMM-модулі – аналоги модулів DIMM для ноутбуків;

4)RIMM-модулі - містять мікросхеми RDRAM.

Рис. 2.12.2 Види модулів оперативної пам'яті.

6. Постійна пам’ять.

Постійну пам’ять скорочено позначають ROM (англ. Read Only Memory – пам’ять тільки для читання).

Вона невелика за ємністю (кілька сотень кбайт) і відповідає за роботу BIOS та деяких внутрішніх пристроїв.

Дані, які містяться в постійній пам’яті, не зникають після вимкнення живлення комп’ютера.

Постійна пам’ять виготовляється у вигляді спеціальної мікросхеми, яку розміщують на

системній платі або на платі розширення.

Дані в постійну пам’ять заносяться в процесі виготовлення.

Розрізняють мікросхеми постійної пам’яті без можливості перепрограмування та з можли-

вістю багаторазового перепрограмування.

В наш час найчастіше використовують мікросхеми постійної пам’яті типу EEPROM

(Electrically Erasable Programmable ROM), які ще називають FlashROM.

Їх можна багаторазово перепрограмовувати (оновлювати) без спеціального обладнання.

За потреби користувач може замінити мікросхему постійної пам’яті або виконати її пере-

програмування.

7. Основні характеристики внутрішньої пам'яті.

Елементи пам'яті мають такі основні характеристики:

тип пам'яті;

технологія виготовлення;

розрядність;

ємність;

частота роботи пам'яті;

максимальна пропускна здатність;

час доступу;

тип модуля оперативної пам'яті;

наявність контролю правильності даних;

наявність у модулі буферної пам'яті;

напруга електроживлення.

Tип пам'яті однозначно визначає її вид та основні можливості. Наприклад, DDR3 SDRAM -

це синхронна, динамічна, енергозалежна оперативна пам'ять типу DDR3.

Технологія виготовлення.

Виробництво мікросхем пам'яті грунтується на таких самих технологіях виготовлення, як і виробництво процесорів. В наш час розробляються мікросхеми пам'яті за технологією 30 нм.

Розрядність.

В сучасних моделях пам'яті SDRAM використовуються 64-розрядні шини даних.

Ємність.

Ємність – це кількість інформації, яку можна розмістити в пам’яті. Ємність сучасних модулів оперативної пам’яті становить декілька Гбайт.

Частота роботи пам'яті.

Тактові частоти сучасних модулів пам'яті знаходяться в діапазоні 400 – 800 МГц.

При цьому ефективні частоти лежать в діапазоні 800 – 1600 МГц. Це пояснюється тим, що

результуюча частота може бути вищою в декілька разів за рахунок того, що за один такт чита-

ється декілька порцій даних або використовується двоканальний режим роботи пам'яті, тобто, два модулі з однаковими характеристиками працюють синхронно як єдиний пристрій.

Максимальна пропускна здатність.

Одна з важливих характеристик модуля пам'яті - це його максимальна пропускна здат-

ність.

Пропускна здатність сучасних модулів оперативної пам'яті становить більше 10 Гбайт/с.

Максимальна пропускна здатність Flash-пам'яті становить 500 Мбайт/с.

Час доступу.

Мінімальний час, необхідний для доступу до комірки пам'яті, називають часом доступу. Час доступу для динамічної пам'яті в середньому становить 10 нс.

Час доступу для статичної пам'яті змінюється від 12 до 0,5 нс.

Час доступу для Flash-пам'яті в середньому становить 50 нс.

Тип модуля.

В сучасних комп’ютерах застосовують модулі пам'яті типу DIMM, в ноутбуках - SODIMM.

Наявність контролю правильності даних.

Для виявлення та виправлення помилок в мікросхемах пам'яті застосовують метод ЕСС

(Error Checking and Correction).

Даний метод дозволяє в разі виникнення помилки в одному біті відновити адресу помилки та виправити її. Він дозволяє також визначити, але не виправити, помилки в двох бітах.

Модулі пам'яті з методом ЕСС використовуються в серверах і мають високу вартість.

Наявність у модулі буферної пам'яті.

Деякі сучасні серверні модулі пам'яті мають регістри буферної пам'яті, яка пришвидшує зберігання даних, розвантажуючи контроллер пам'яті.

Такі модулі містять у своїй назві слово Registered.

Напруга електроживлення.

Сучасні модулі пам'яті мають напругу електроживленнл менше 2 В.

Напруга електроживлення модулів пам'яті визначається материнською платою, її не мож-

на змінювати.