Устройства внутренней памяти

Регистровая,или внутрикристальная, память организуется регистрами процессора, образующими сверхоперативное запоминающее устройство.

Оперативная память(RAM - random access memory, ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) быстрое запоминающее устройство, содержит команды и дан­ные, с которыми в данный момент работает процессор. От размера оперативной памяти существенно зависит скорость компьютера и то, с какими программами может работать данный ПК. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо совсем не будут работать, либо станут работать крайне медленно. Объем ОЗУ современных ПК составляет от 32 Мбайт (для несложных административных задач) до 4 Гбайт и более (сложные задачи компьютерного дизайна и т.п.).

Оперативная память энергозависима. Это означает, что при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (за некоторыми исключениями, о которых говорится ниже). Основными свойствами оперативной памяти являются емкость и время доступа.

Последнее показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах).

Конструктивно оперативная память представляет собой массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

1.Динамическая память - Dynamic Random Access Memory (DRAM, динамическая память с произвольной выборкой). Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеивать-ся в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через неско-лько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсоввычислительной системы. Поэтому такая память имеет низкое быстродействие: 60-200 нс.

Асинхронная динамическая память. Память DRAM с асинхронным режимом работы и поддержкой в компьютерах быстрой постраничной работы с данными именуют FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM). Она обладает повышенным быстродействием при последовательном доступе к данным (потоковом обмене) и применении синхронного принципа работы с кэш. Первая разновидность такой памяти названа EDO DRAM (Extended Data Out DRAM - ОЗУ с увеличенным временем доступности данных). Она имеет быстродействие 50-70 нс при тактовой частоте шины до 66 МГц.

Синхронная динамическая память (Synchmnous DRAM, SDRAM) способна обмениваться без циклов ожидания. Она обладает быстродействием 7-10 нс, что обеспечивается специальным логическим блоком и двухбайтовой структурой. Для работы SDRAM используют тактовый генератор, синхронизирующий все её сигналы.

Ныне используется такой тип памяти, как Direct Rambus DRAM (далее RDRAM), разработанный фирмой Rambus. Она предназначена для оснащения материнских плат с высокопроизводительными процессорами. Её архитектура отличается от архитектуры памяти SDRAM последовательным доступом к микросхемам по 16-битовой шине при записи и считывании данных по фронту и срезу, использованием двух каналов передачи данных. Данная архитектура предполагает установку на материнской плате пар модулей памяти в каждом канале.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операции поруча-ют специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - одноряд-ные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). Однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанавливать по одному. Многие модели материнских плат имеют разъемы как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.

У модуля SIMM (Single In line Memory Module) 72-контакта. Он имеет разрядность 36 бит. Емкость колеблется от 256 кбайт до 64 Мбайт. Типичное время доступа к оперативной памяти для SIММ-модулей 50-70 нс.

Набор микросхем памяти SDRAM и DDR SDRAM поставляется в виде модулей DIMM (Dual In line Memory Module) с двусторонним размещением микросхем. Каждый модуль имеет 168 ножевых контактов. Модули выпускаются разрядностью 64, 72 (с контролем четности) и 80 бит (с коррекцией ошибок). Для современных DIММ-модулей время доступа составляет 7-10 нс.

Набор микросхем памяти DDR SDRAM поставляется в виде модулей DIMМ, имеющих 184 контакта.

Набор микросхем памяти RDRAM поставляется в виде модулей RIMM с двусторонним размещением высокоскоростных микросхем памяти Direct RDRAM. Конструкция модулей сходна с конструкцией DIMM (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16 - Микросхемы памяти RIMM (сверху) и DIMM (снизу)

2.Статическая память - Static RAM (SRAM), обычно со временем выборки более 15 нc. Ячейки статической памятиможно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называ-емой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы про-цессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 2³². Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 2³² = 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Mбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 512 Мбайт – 1 Гбайт, но очень скоро эта величина будет превышена в 2−4 раза даже для моделей массового потребления.

Ныне пристальное внимание обращено к технологиям создания оперативной памяти, которая сохраняет данные после выключения электропитания. Таким свойством обладают прежде всего ферроэлектрическая (Ferroelectric RAM, FRAM) и магнитная (Magnetic RAM, MRAM) память.

Основой ячеек нынешних FRAM служит сегнетоэлектрическая пленка. Под воздействием внешнего электрического поля атомы этого материала переводятся в одно из двух стабильных состояний, сохраняемых при выключении питания. Емкость модулей на основе FRAM невелика и составляет пока несколько десятков килобайт.

Кэш(англ. cache), или сверхоперативная память, - очень быстрое запоминающее устройство (ЗУ) небольшого объема, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае «попадания в кэш», то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает ее непосредственно из оперативной памяти. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память процессора имеет многоуровневую структуру, но чаще она является трехуровневой:

- кэш-память первого уровня (обозначается L1), располагается на кристалле процессора. Она работает с тактовой частотой процессора, размер памяти 1-64 кбайт;

- кэш-память второгоуровня (L2), размещается на кристалле процессора либосистемной плате. Она работает на тактовой частоте системной шины, объём колеблется от 64 кбайт до 2 Мбайт;

- кэш-память третьего уровня (L3) - фрагмент ОЗУ (более 1024 кбайт), используемый для буферизации данных при работе с внешними устройствами (например, флоппи-дисководами) либо выполнении системных и прикладных программ.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM, более быстродействующих, дорогих и малоемких, чем DRAM.

Процессор использует кэш исключительно самостоятельно, помещая туда извлеченные им из ОЗУ данные и команды программы и запоминая при этом в специальном каталоге адреса, откуда информация была извлечена. Если эти данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ – их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Поскольку объем кэш существенно меньше объема оперативной памяти, его контроллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэш, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Следует заметить, что кэш-память является очень эффективным средством повышения производительности компьютера, в чем легко убедиться на практике, если в вашем компьютере предусмотрена возможность отключения кэш. Как и для ОЗУ, увеличение объема кэш повышает эффективность работы компьютерной системы.

Постоянная памятьпредназначена для длительного хранения данных, даже когда ПК выключен. Такой вид памяти обычно называется ROM(read only memory - память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки операционной системы и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, часто содержимое постоянной памяти называется BIOS(Basic Input-Output System, или базовая система ввода-вывода) (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 - Интегральные схемы BIOS и CMOS

BIOS- совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой - важный модуль любой операционной системы.

BIOS содержит:

- тестовые программы контроля работоспособности компьютера;

- программу начальной загрузки MS DOS;

- драйверы стандартных периферийных устройств (в частности, контроллеров накопителей на гибких и жестких дисках, дисплея, клавиатуры, принтера и адаптеров интерфейсов).

На некоторых хороших платах можно обнаружить две микросхемы BIOS (так называемая Dual BIOS), что позволяет загрузить компьютер в случае, если одна из них будет повреждена, а также копировать содержимое одной микросхемы в другую (например, после неудачной перепрошивки можно будет восстановить главную BIOS из резервной копии).

Раньше для изготовления микросхем BIOS использовалась ROM-память (Read-Only Memory). В настоящее время для этого служит EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), или Flash ROM, позволяющая перезаписывать ее и тем самым обновлять версию BIOS.

Перепрограммируемая постоянная память(Flash Memory) - особый вид энергонезависимой, перезаписываемой полупроводниковой памяти. Флэш-память исторически происходит от ROM-памяти, но функционирует подобно RAM, однако в отличие от последней работает значительно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10 000 до 1 000 000 для различных типов). Информация, записанная на флэш, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки, в 10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жестких дисков.

Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве. Для этого используется CMOS RAM.

Энергонезависимая память CMOS – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. setup – устанавливать).

От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

Видеопамять (VRAM) – разновидность ОЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам – процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Основное назначение видеопамяти - временное хранение выводимой на экран монитора картинки. Ту часть видеопамяти, которая используется для хранения выводимой картинки, принято называть кадровым буфером (фрейм-буфером). Каждая картинка имеет определенный объем, который измеряется в байтах. Для получения какого-либо изображения надо разместить картинку в видеопамяти. Следовательно, чем больше объем этой памяти, тем большее разрешение и глубину цвета можно отобразить на мониторе.

В качестве видеопамяти нередко использовали те же технологии, что и в оперативной памяти. Использовали память типа FPM и EDO, затем применяли SDRAM (и применяют сейчас), в настоящее время все больше применяют DDR SDRAM. По сути, сегодня SDRAM и DDR SDRAM - единственные применяемые типы видеопамяти. Однако еще во времена господства памяти типа EDO возникали проблемы с производительностью видеопамяти и были разработаны специальные типы памяти, которые были оптимизированы для обращений не центрального процессора, а видеопроцессора, например, SGRAM. SGRAM (Synchronous Graphics RAM - синхронная графическая память) имеет много общего с памятью SDRAM. Она может работать на частотах от 66 МГц и выше.