Реферат: Оперативная память

Министерствообщего и профессионального образования Свердловской области

Профессионально-педагогическийколледж

Кафедрадизайна сервиса и информационных технологий

Реферат поархитектуре ЭВМ

На тему Оперативнаяпамять

Специальность230103 – Автоматизированные системы обработки информации и управления

Екатеринбург2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оперативная память

Принципы функционирования памяти

Память DDR SDRAM

Память DDR2 SDRAM

Память DDR3 SDRAM

GDDR

Проблема терминирования сигнала

Заключение

 
Введение

Одним из важнейшихустройств компьютера является оперативная память. По определению, данном вкниге «Информатика в понятиях и терминах», ОЗУ — «функциональнаячасть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения ивыдачи информации, представленных в цифровом виде.» Однако под этоопределение попадает как собственно память, так и внешние запоминающиеустройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты,CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Такимобразом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только«внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память».Именно из оперативной памяти процессор берет программы и исходные данные дляобработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная»эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессорупрактически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи впамять.

Оперативное запоминающееустройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительноймашины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре, созданныхв сороковых — в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят летсменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память.

Оперативнаяпамять

Общеизвестно,что производительность компьютера зависит от объема установленной оперативнойпамяти. Память лишней не бывает — этот базовый принцип, высказанный еще в конце1940-х годов фон Нейманом, остается актуальным и сегодня. Поэтому на вопрос«Сколько памяти нужно ставить?» ответ прост: чем больше, тем лучше. Шесть летназад для рабочих ПК вполне хватало 64—128 Мбайт оперативной памяти, теперь женужно иметь уже как минимум 512 Мбайт. Связано это, прежде всего, снаметившейся тенденцией смещения приложений в сторону их мультимедийности.

Впрочем,объем устанавливаемой оперативной памяти — это еще не все. Если несколько летназад доминирующее положение на рынке занимала память РС 100, а позднее РС 1338ЕаАМ, то сейчас существует несколько различных типов памяти: DDR/333/400/533 ЗОНАМ, ОiЭК2-400/533/667/800,а к 2009 году аналитики прогнозируют господство ОО1{3. Поэтому актуальнымстановится вопрос о выборе типа устанавливаемой памяти.
В этой главе мы проведем краткий ликбез по различным типам и технологиям памятии рассмотрим основные различия типов памяти между собой. Однако, чтобыразобраться во всех этих достижениях научной мысли, нам придется сделатьнебольшое отступление и рассказать о главных принципах функционированияоперативной памяти и об истории ее развития.

Принципы функционирования памяти

Оперативнаяпамять, которая также именуется RАМ(Random Access Memory— память с произвольным доступом), используетсяцентральным процессором для совместного хранения данных и исполняемогопрограммного кода. Отличительной особенностью RАМ является ее быстродействие, которое очень важно длясовременных процессоров. По принципам действия RАМ можно разделить на динамическую и статическую. Различиемежду этими типами памяти заключается в принципе хранения информации.

Посколькуэлементарной единицей информации является бит, оперативную память можнорассматривать как некий набор ячеек, каждая из которых может хранить одининформационный бит. Различие между динамической и статической памятьюзаключается в конструктивных особенностях элементарных ячеек для храненияотдельных битов.

В статическойпамяти ячейки построены на различных вариантах триггеров — транзисторных схем сдвумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она можетпребывать в одном из этих состояний и сохранять записанный бит сколь угоднодолго — необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти —статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоинствомстатической памяти является ее быстродействие, а недостатками — высокоеэнергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггернаяячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает немаломеста на кристалле. К примеру, микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы более чемиз 24 млн. транзисторов, потребляя соответствующую мощность.

Вдинамической памяти элементарная ячейка представляет собой конденсатор,выполненный по КМОП-технологии. Такой конденсатор способен в течениенекоторого, хотя и очень малого, промежутка времени сохранять электрическийзаряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. Упрощая,можно сказать, что при записи логической единицы в ячейку памяти конденсаторзаряжается, при записи нуля — разряжается. При считьтвании данных каждыйконденсатор разряжается (через схему считывания), и если заряд конденсатора былненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение.Кроме того, поскольку при считывании конденсатор разряжается, его необходимозарядить до прежнего значения. Поэтому процесс считывания (обращения к ячейке)сочетается с подзарядкой конденсаторов, то есть с регенерацией заряда. К томуже, если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то современем за счет токов утечки конденсатор разряжается (неизбежный физическийпроцесс) — и информация теряется. Вследствие этого память на основе массиваконденсаторов требует постоянного периодического подзаряда конденсаторов. Длякомпенсации утечки заряда применяется регенерация, основанная на периодическомциклическом обращении к ячейкам памяти, так как каждое такое обращениевосстанавливает прежний заряд конденсатора. Регенерация в микросхеме происходитодновременно по всей строке матрицы при обращении к любой из ее ячеек, то естьдостаточно циклически перебрать все строки. К достоинствам динамической памятиотносятся высокая удельная плотность размещения данных и низкоеэнергопотребление, а к недостаткам — низкое быстродействие по сравнению состатической памятью.

 ПамятьDDR SDRAM

Самый простой способувеличения максимальной пропускной способности памяти заключается в увеличениичастоты ее работы. Однако на практике реализовать это совсем не просто.Вспомним, что элементарной ячейкой динамической памяти является конденсатор —инерционное по своей природе устройство. Чтобы произвести считывание информациис конденсатора, необходимо его разрядить, для чего требуется определенноевремя, пропорциональное емкости конденсатора, сделать это мгновенно невозможно.Следовательно, нельзя повышать частоту ядра памяти до бесконечности. Крометого, динамическая память требует периодической регенерации, чтобывосстанавливать заряды конденсаторов, а для зарядки конденсаторов тоженеобходим определенный временной интервал. В результате повышение частоты ядрапамяти сопряжено с непреодолимыми трудностями. Конечно, применение болееминиатюрных конденсаторов повышает их быстро‚действие, однако для этого нужноиспользовать иную проектную норму при производстве чинов памяти. К тому жепереход на новый технологический процесс производства не может кардинальноувеличить скорость работы памяти.

Поэтому, кроме банальногоувеличения частоты работы памяти, для увеличения ее пропускной способностичасто используют иные приемы. О некоторых из них, таких как пакетный режим передачии организация чередующихся банков, мы уже упоминали. Однако более кардинальнымспособом увеличения пропускной способности памяти стал переход к стандарту DDR. Синхронная динамическая память DDRA SDRAM пришла на смену SDRAM и обеспечивает в два раза большую пропускнуюспособность. Аббревиатура DDR (Double Data Rate) в названии памяти означает удвоенную скоростьпередачи данных. Аналогично обычную SDRAM-память называют SDR (Single Data Rate), то есть памятью с одинарной скоростью передачи.

Как уже отмечалось,основным сдерживающим элементом увеличения тактовой частоты работы памятиявляется само ядро памяти (массив элементов хранения). Однако, кроме ядрапамяти, в модуле присутствуют и буферы промежуточного хранения (I/О logiс), через которые ядро памяти обменивается данными сшиной памяти. Эти буферы имеют значительно более высокое быстродействие нежелисамо ядро, поэтому тактовую частоту работы самой шины памяти и буферов обменаможно легко увеличить. Именно такой способ и используется в DDR-памяти.

В обычной SDRAM-памяти ядро и буферы обмена работаютв синхронном режиме на одной и той же частоте. Передача каждого бита из буферапроисходит с каждым тактом работы ядра памяти

В DDR-памяти каждый буфер ввода-выводапередает два бита за один такт, то есть фактически работает на удвоеннойтактовой частоте, оставаясь при этом полностью синхронизированным с ядромпамяти. Однако, чтобы такойрежим работы стан нения). возможным,необходимо, чтобы эти два бита были доступны буферу ввода—вывода на каждомтакте работы памяти. Дляэтого требуется, чтобы каждая командачтения приводила к передаче из ядра памяти в буфер сразу двух бит. Для этогоиспользуются две независимые линии передачи от ядра памяти к буферамввода-вывода. Из буфера ввода-вывода биты затем поступают на шину данных втребуемом порядке.

Поскольку притаком способе организации работы памяти происходит предвыборка двух бит передпередачей их на шину данных, этот способ также называет Рrе- каждым fetch 2 (предвыборка 2).

Чтобысинхронизировать работу ядра памяти и буферов ввода-вывода, используется одна ита же тактовая частота (одни и те же тактирующие импульсы). Только если в самомядре памяти синхронизация осуществляется по положительному фронту тактирующегоимпульса, то в буфере ввода-вывода для синхронизации используется какположительный, так и отрицательный фронт тактирующего импульса (рис. 3.7).Таким образом, передача двух бит в буфер ввода-вывода по двум раздельным линиямосуществляется по положительному фронту тактирующего импульса, а их выдача нашину данных происходит как по положительному, так и по отрицательному фронтамтактирующего импульса. Это обеспечивает в два раза более высокую скоростьработы буфера и, соответственно, вдвое большую пропускную способность памяти.

Все жеостальные принципиальные моменты DDR-памятине изменились: структура нескольких независимых банков позволяет совмещатьвыборку данных из одного банка с установкой адреса в другом банке, то естьможно одновременно иметь две открытые страницы. доступ к этим страницам чередуется(Bank interleaving), что приводит к устранению задержеки обеспечивает создание непрерывного потока данных.

DDR-память настраивается в процессеработы путем установки соответствующих регистров, как и SDRAM-память. Кроме того, DDR-память, как и SDRAM, предназначена для работы ссистемными частотами 100 и 133, 166 и 200,216,250 и 266 МГц DDR-память, работающую на частоте 100МГц, иногда обозначают как DDR2ОО,подразумевая при этом, что <<эффективная>> частота памятисоставляет 200 МГц (данные передаются два раза за такт). Аналогично, при работепамяти на частоте 133 МГц используют обозначение DDR266, при частоте 166 МГц — DDRЗЗЗ, при частоте 200 МГц — DDR400 и т. д. Нетрудно рассчитать и пропускнуюспособность DDR-памяти. Учитывая, что ширина шиныданных составляет 8 байт, для памяти DDR2ОО получим 200 МГц х 8 байт = 1,6 Гбайт/с, для памяти DDR266 — 2,1 Гбайт/с, для DDR333 — 2,7 Гбайт/с, для DDR4ОО — 3,2 Гбайт/с, для DDR433 — 3,5 Гбайт/с, для DDR500 — 4,0 Гбайт/с, для DDR5ЗЗ — 4,3 Гбайт/с.

ПРИМЕЧАНИЕ Хотя обозначение типа DDR200,DDR266, DDR333 и т. д. кажется вполне логичным и понятным,официально принято другое обозначение этой памяти. В названии используется не4эффективная» частота, а пиковая пропускная способность, то есть память DDR200 обозначается как DDR РС 1600, DDR2б6 — как DDR РС2100, DDRЗЗЗ — какРС2700, а DDR4ОО — то есть как РСЗ2ОО.

Кромечастоты, память, как уже отмечалось, характеризуется схемой тайминга (tCL→tRCD→tRp).для памяти DDR2ОО тайминг всегда 2-2-2, а вот дляостальных типов памяти тайминг может быть различным, К примеру, встречаютсятайминги 3-3-3, 2,5-3-3, 2-3-3 и 2,5-2-2.
В настоящее время память DDR4ООявляется наиболее распространенной. Кроме того, во всех современных чипсетахчастота шины памяти не превосходит 400 МГц, а память типа DDR433, DDR500 и DDR5ЗЗявляется нестандартизированной.

Возникаетлогичный вопрос: если эти типы памяти не поддерживаются материнскими платами ине стандартизированы, то зачем они вообще нужны?

Дело в том,что память типа DDR433, DDR500 и DDR533 отличается от остальных типов памяти толькоспособностью работать на более высоких частотах ядра памяти. Это, во-первых, непрепятствует ее использованию и на более низких частотах, а во-вторых,позволяет применять при разгоне системы. Кроме того, при использовании этихтипов памяти на частоте 400 МГц возможно уменьшение таймингов памяти (идеальныйслучай соответствует таймингу 2-2-2), что можно рассматривать как своеобразныйразгон памяти.

 ПамятьDDR2 SDRAM

Еслиследовать терминологии SDR (Single Data Rate) и DDR (Double Data Rate), то память DDR2 было бы логично назвать QDR (Quadra Data Rate), так как этот стандарт подразумевает в четыре разабольшую скорость передачи. То есть в стандарте DDR2 при пакетном режиме доступа данные передаются четырераза за один такт. Для организации данного режима работы памяти необходимо,чтобы буфер ввода-вывода работал на учетверенной частоте по сравнению счастотой ядра памяти. Достигается это следующим образом: ядро памяти, как ипрежде, синхронизируется по положительному фронту тактирующих импульсов и сприходом каждого такого положительного фронта по четырем независимым линиямпередает в буфер ввода-вывода четыре бита информации (выборка четырех битов затакт). Сам буфер ввода-вывода тактируется на удвоенной частоте ядра памяти исинхронизируется как по положительному, так и по отрицательному фронту этойчастоты. То есть с приходом положительного и отрицательного фронта происходитпередача информации в мультиплекспом режиме на шину данных (рис. 3.8). Этопозволяет за каждый такт работы ядра памяти передавать четыре бита на шинуданных, то есть вчетверо повысить пропускную способность памяти.

По сравнениюс DDR, память DDR2 позволяет обеспечить ту же пропускную способность,но при вдвое меньшей частоте ядра. К примеру, в памяти DDR4ОО ядро функционирует на частоте 200 МГц, а в памяти DDR2-400 — на частоте 100 МГц. В этомсмысле память DDR2 имеет значительно большиепотенциальные возможности для увеличения пропускной способности по сравнению спамятью DDR

 ПамятьDDR3 SDRAM

Память DDRЗ является логическим развитиемстандарта DDR2. Стандарт DDRЗ был принят летом 2007 года, однако многиепроизводители еще до официального утверждения спецификации успели представитьновые модули. Как уже неоднократно упоминалось, основную долю рынка этотстандарт завоюет к 2009 году.

Эффективнаячастота работы DDRЗ-памяти будетсоставлять от 800 до 1600 МГц. Кроме увеличенной пропускной способности, памятьIЛЖЗ будет также выгодно отличаться и уменьшенным энергопотреблением. Так, еслимодули DDR-памяти работают при напряжениипитания 2,5 В, а модули DDR2 —при 1,8 В, то модули DDRЗфункционируют при напряжении питания 1,5 В (на 16,5 % меньше, чем для памяти DDR2). Снижение напряжения питаниядостигается за счет использования 90-нанометрового техпроцесса производствамикросхем памяти и применения транзисторов с двойным затвором (Dual gate), что способствует снижению токов утечки.
Ожидается, что первоначально емкость модулей памяти DDRЗ составит 1 Гбайт, а впоследствии появятся модулипамяти емкостью 2 и 4 Гбайт.
Для памяти DDRЗ будет реализована 8-банковаялогическая структура, а размер страницы составит 1 Кбайт для чинов с шиной х4 их8 и 2 Кбайт для чинов с шиной х16.

Принципиальноеотличие памяти DDRЗ от DDR2 заключается в реализации механизма8n- Рrefeth вместо 4n- Prefeth.

Дляорганизации данного режима работы памяти необходимо, чтобы буфер ввода- вывода(мультиплексор) работал на частоте в 8 раз большей по сравнению с частотой ядрапамяти. достигается это следующим образом: ядро памяти, как и прежде,синхронизируется по положительному фронту тактирующих импульсов, а с приходомкаждого положительного фронта по восьми независимым линиям в буфер ввода-вывода(мультиплексор) передаются 8п бит информации (выборка 8n бит за такт). Сам буфер ввода-вывода тактируется научетверенной частоте ядра памяти и синхронизируется как по положительному, таки по отрицательному фронту данной частоты. Это позволяет за каждый такт работыядра памяти передавать восемь слов на шину данных, то есть в восемь разповысить пропускную способность памяти.

По сравнениюс DDR2, память DDRЗ позволяет обеспечить ту же пропускную способностьпри вдвое меньшей частоте ядра. К примеру, в памяти DDR2-800 ядро функционирует на частоте 200 МГц, а впамяти DDR3-800 — на частоте 100 МГц (рис.3.9).

Понятно, что в случаереализации архитектуры 8n-Рrefeth длина пакета (Burst Length) данных не может бытьменее 8. Поэтому дляпамяти DDR2 минимальная длина пакета составляет8.

Упрощеннаявременная диаграмма работы DDRЗ-памятидляВL=8, tRRD = 2, tRSD =З и tСL. = 2 показана на рис. 3.10.

Конечно,реализация механизма 8n-Рrefeth вместо 4n-Ргefethэто не единственное различие между памятью DDR и DDR2. Другими нововведениями, реализованными впамяти DDRЗ, являются технология динамическоготерминирования сигналов (dynamic On-Die Termination ОDT) и новая технология калибровки сигналов.

Технологиядинамического терминирования сигналов позволяет гибко оптимизировать значениятерминальных сопротивлений в зависимости от условий загрузки памяти.

GDDR

Как известно,оперативная память применяется для нужд не только центрального процессора, но играфического процессора. В современных графических видеокартах используется такназываемая графическая память, микросхемы которой распаиваются на платеграфической карты. Аналогично тому, что существуют различные типы оперативнойпамяти (SDR, DDR, DDR2 иDDR3), графическая память так же бываетразной. Чтобы отличать оперативную память от графической, последнюю снабжаютобозначением <<G>>.Так, бывает память 2, GDDRЗи GDDR4. Несмотря на схожие названия (GDDR2 и DDR2, GDDR3 и DDRЗ), графическая ‚памятьсущественно отличается отоперативной.

Отметим, чтовпервые графическая память GDDR2(Graphics Double Data Rate 2) была использована компанией NVIDIA в видеокарте на базе процессора GeForse FХ 5800. В то же время по принципу действия графическая памятьGDDR2 не имеет ничего общего с памятью DDR2 и в этом смысле более схожа спамятью DDR. В частности, в памяти GDDR2 не используется технология 4n-Ргеfeth, когда буфер ввода-вывода данных работает наудвоенной частоте. От обычной DDR-памятиGDDR2 отличается более высокими тактовымичастотами, требованиями к напряжению и способами терминирования сигналов.

Память GDDRЗ (Graphics Double Data Rate З) была разработана компанией АТI, однако впервыеиспользовалась на видеокартах с графическим процессором NVIDIA GeForse FX 5700 Ultra.

Эта памятьтакже не имеет никакого отношения к DDRЗ и по принципу действия более схожа с памятью DDR2, отличаясь от нее тактовыми частотами, требованиямик напряжению и способами терминирования сигналов. В памяти GDDR3, как и в DDR2, используется технология 4n-Ргеfeth.

Память GDDR4 (Graphics Double Data Rate, version4) сегодня широко применяется в видеокартах с процессорами АТI Radeon Х195ОХТХ и Раdeon НD 2600 ХТ. Эта память является своеобразным аналогом DDRЗ в том смысле, что в ней реализованмеханизм 8n-Prefeth.

 Проблематерминирования сигнала

Распространениелюбого сигнала вдоль шины неизбежно приводит к его частичному отражению отлюбых неоднородностей вдоль пути распространения. Для того чтобы такогоотражения сигнала не происходило, необходимо, чтобы, во-первых, на путираспространения сигнала не было неоднородностей, во-вторых, чтобы сам путь былбесконечным. Понятно, что на практике такие условия нереализуемы, и отражениесигнала всегда присутствует. Отраженный сигнал интерферирует с основным сигналом,что приводит к искажению последнего. Поэтому одной из основных задач являетсяуменьшение отраженного сигнала.

Одно изрешений, используемых для предотвращения отражения сигнала, заключается вовведении шунтирующих сопротивлений, образующих заглушку или терминатор.Шунтирующее сопротивление устанавливается на конце шины, по которойраспространяется сигнал, и заземляется. Такая заглушка полностью поглощаетсигнал и предотвращает его отражение. В случае DDR-памяти терминальные сопротивления устанавливаются насамой материнской плате. Такой подход позволяет устранить отражения, которыемогли бы возникнуть на конце самой шины, однако не решает проблемывозникновения отражений от неоднородностей, связанных с наличием несколькихслотов для установки модулей памяти.

В случаепамяти DDR2 используется принципиально инойметод терминирования сигналов, получивший название ОDT (Оn-Die-Termination). В данном случае терминальныесопротивления устанавливаются непосредственно на самих модулях памяти, а длятого, чтобы предотвратить поглощение сигнала в активном модуле памяти,используется технология отключения терминальных сопротивлений от активныхмодулей.

Хранениекоманды САS в буфере эквивалентно введениюдополнительной задержки (Аdditive Latensy, АL), поэтому данный способ известентакже как Аdditive Latensy,AL илиспособ отложенного чтения (Рrоsted САS).

В DDR-памяти при операциях записиконтроллер может осуществлять запись в любую ячейку в пределах открытой строки,причем задержка записи (Write Latensy,WL) данных относительно сигнала САS (выбора столбца) составляет одинтакт. В памяти DDR2 задержказаписи определяется несколько иначе, она на один такт меньше задержки на чтение(Read Latensy,RL): WL = RL-1T. Если, кпримеру, RL = 7, то ‚WL. = 6.

Заключение

Установка дополнительной памяти насистемной плате – несложный способ увеличить объем памяти компьютера.Большинство систем имеет хотя бы один незанятый банк памяти, в который можноустановить дополнительную память, и таким образом повысить производительностькомпьютера.