Технические характеристики оперативной памяти персональных ЭВМ

Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором. “Оперативная” эта память потому, что она действует и работает очень быстро, однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер работает. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается. Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (Random Access Memory), то есть память с произвольным доступом. Оперативная память (ОЗУ) - один из важнейших элементов компьютера. Именно там процессор «находит» исходные данные для обработки, туда и записывает полученные результаты.

Технические характеристики. Типы памяти RAM

ПО сегодня становится все требовательнее к быстродействию «оперативки», поэтому трудно недооценить все значение и всю важность этих небольших по своим размерам плат. И, судя по современным показателям быстродействия, оперативная память сегодняшнего дня отлично справляется со своими задачами. Но до недавнего времени эта область не была столь развита по сравнению другими направлениями. Усовершенствования были, но они не соответствовали темпам развития других компонентов и касались лишь таких параметров, как время выборки, кэш-памяти (она была добавлена непосредственно на модуль памяти), конвейерное исполнение запроса, изменение управляющего сигнала вывода данных, но технология производства оставалась прежней. Память становилась узким местом компьютера, а, как известно, быстродействие всей системы определяется быстродействием самого медленного ее элемента. И вот несколько лет назад волна технологического бума докатилась и до оперативной памяти. Стали появляться новые типы RAM микросхем и модулей. Встречаются такие понятия, как FPM RAM, EDO RAM, DRAM, VRAM, WRAM, SGRAM, MDRAM, SDRAM, SDRAM II (DDR SDRAM), ESDRAM, SLDRAM, RDRAM, Concurrent RDRAM, Direct Rambus. Большинство из этих технологий используются лишь на графических платах, и в производстве системной памяти компьютера используются лишь некоторые из них.

От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит возможность, какими программами вы сможете на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно. Можно привести следующую приблизительную классификацию возможностей компьютера, в зависимости от объема оперативной памяти:

1 Мбайт и менее - на компьютере возможна работа только в среде

DOS. Такие компьютеры можно использовать для корректировки текстов или ввода данных;

8 Мбайт - обеспечивается комфортная работа в среде Windows 3.1, Windows for Workgroups, при этом дальнейшее увеличение объема оперативной памяти уже практически не повышает быстродействие для большинства офисных приложений. Использование более новых операционных систем, как Windows 95, в принципе возможно, но работать они будут явно медленно;

16 Мбайт - обеспечивается комфортная работа в операционных системах Windows 95, причем дальнейшее увеличение объема оперативной памяти уже практически не повышает быстродействие при выполнении большинства офисных приложений. Возможно использование Windows NT, хотя ей не помешает добавить еще 8-16 Мбайт;

32 Мбайта и более - такой объем оперативной памяти может требоваться для серверов локальных сетей, компьютеров, используемых для обработки фотоизображений или видеофильмов, и в некоторых других приложениях. Полезен он может быть и для компьютеров, работающих под управлением ОС Windows NT.

Всю память(RAM) можно разделить на два типа:

DRAM (динамическая RAM)

SRAM (статическая RAM)

Методы организации ОЗУ

Независимо от типа оперативная память является адресной. Это значит, что каждой, хранимой в памяти единице информации ставится в соответствие специальное число, а именно адрес, определяющий место его хранения в памяти. В современных ЭВМ различных типов, как правило, минимальной адресуемой единицей информации является байт (8-ми разрядный код). Более крупные единицы информации - это слово и производные: двойное слово, полуслово и т. д. (образуется из целого числа байт). Обычно слово соответствует формату данных, наиболее часто встречающихся в данной машине в качестве операндов. Часто формат слова соответствует ширине выборке из основной памяти. Существуют несколько методов организации оперативной памяти:

Метод строк/колонок (Row/column). При данном методе адресации ОП, последняя представляет собой матрицу разделенную на строки и колонки. При обращении к ОП одна часть адреса определяет строку, а другая - колонку матрицы. Ячейка матрицы, оказавшаяся на пересечении выбранных строки и колонки считывается в память или обновляется ее содержимое.

Метод статических колонок (Static-column). При данном методе адресации ОП информация, относящаяся к какой-либо программе, размещается в определенной колонке. Последующее обращение к данной программе происходит в ту же самую колонку. За счет статичности части адреса (ее не надо передавать по адресной шине) доступ к данным осуществляется быстрее.

Метод чередования адресов (Interleaved), который впервые стал применяться в 386 моделях АТ компьютерах. Данный метод предполагает считывание (или запись) информации не по одному, а сразу по нескольким адресам: i, i+1, i+2 и т.д. Количество одновременно опрашиваемых адресов, по которым происходит считывание информации, определяет кратность чередования адресов, что соответствует количеству блоков ОП. На практике обычно используется 2-х или 4-х кратное чередование адресов, т.е. ОП делится на 2 или 4 блока. Запись информации в блоки осуществляется независимо друг от друга. Информация по адресу i хранится в первом блоке, по адресу i+1 - во втором блоке и т.д. Считываемая с блоков информация далее переписывается в кэш-память для последующей переработки.

Метод страничной организации (Page-mode). При данном методе организации память адресуется не по байтам, а по границам страниц. Размер страницы обычно равен 1 или 2 Кбайта. Данный метод предполагает наличие в системе кэш-памяти емкостью не менее 128 Кб куда предварительно считываются требуемые страницы ОП для последующей переработки МП или другим устройством. Обновленная информация периодически из кэш-памяти сбрасывается в ОП.

Последние два метода системной организации памяти предполагают обязательное наличие в системе сверхбыстродействующей кэш-памяти для опережающего (read-ahaed) чтения в нее информации из ОП с последующей обработкой ее микропроцессором, что снижает время простоя последнего и повышает общую производительность системы.

Память типа DRAM

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

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. 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 имеет контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мкс.

Регенерация памяти, к сожалению, «отнимает время» у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% процессорного времени, но в современных системах, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторых ячейках памяти заряд “стечет”, а это вызовет сбой памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации.

В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. Транзистор для каждого однозарядного регистра DRAM использует для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет - записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, к потере данных.

Сейчас уже не актуально использовать 66-МГц шины памяти. Разработчики DRAM нашли возможность преодолеть этот рубеж и извлекли некоторые дополнительные преимущества путем осуществления синхронного интерфейса.

С асинхронным интерфейсом процессор должен ожидать, пока DRAM закончит выполнение своих внутренних операций, которые обычно занимают около 60 нс.

С синхронным управлением DRAM происходит защелкивание информации от процессора под управлением системных часов. Триггеры запоминают адреса, сигналы управления и данных, что позволяет процессору выполнять другие задачи. После определенного количества циклов данные становятся доступны, и процессор может считывать их с выходных линий.

Другое преимущество синхронного интерфейса заключается в том, что системные часы задают только временные границы, необходимые DRAM. Это исключает необходимость наличия множества импульсов. В результате упрощается ввод, т. к. контрольные сигналы адреса данных могут быть сохранены без участия процессора и временных задержек. Подобные преимущества также реализованы и в операциях вывода.

Память типа SRAM

Существует тип памяти, совершенно отличный от других, - статическая оперативная память (Static RAM - SRAM). Она названа так потому, что, в отличии от динамической оперативной памяти, для сохранения ее содержимого не требуется переодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры.

Время доступа SRAM не более 2 нс, это означает, что такая память может работать синхронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из 6 транзисторов. Использование транзисторов без каких либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено.

Микросхемы SRAM не используются для всей системной памяти потому, что по сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее намного ниже, а цена довольно высокая. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластиризованное их размещение не только увеличивает габариты SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM.

Несмотря на это, разработчики все-таки применяют память типа SRAM для повышения эффективности РС. Но во избежание значительного увеличения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной памяти SRAM, которая используется в качестве кэш-памяти. Кэш-память работает на тактовых частотах, близких или даже равных тактовым частотам процессора, причем обычно именно эта память используется процессором при чтении и записи. Во время операции чтения данные в высокоскоростную кэш-память предварительно записываются из оперативний памяти с низким быстродействием, то есть из DRAM. Поэтому именно кэш-память позволяет сократить количество «простоев» и увеличить быстродействие компьютера в целом.

Эффективность кэш-памяти выражается коэффициентом совпадения, или коэффициентом успеха. Коэффициент совпадения равен отношению количества удачных обращений в кэш к общему количеству обращений. Попадание - это событие, состоящее в том, что необходимые процессору данные предварительно считываются в кэш из оперативной памяти; иначе говоря, в случае попадания процессор может считывать данные из кэш-памяти. Неудачным обращением в кэш считается такое, при котором контроллер кэша не предусмотрел потребности в данных, находящихся по указанному абсолютному адресу. В таком случае необходимые данные не были предварительно считаны в кэш-память, поэтому процессор должен отыскать их в более медленной оперативной памяти, а не в быстродействующем кэше.

Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в современных персональных компьютерах обычно предусмотрены два типа кэш-памяти: кэш-память первого уровня (L1) и кэш-память второго уровня (L2). Кэш-память первого уровня также называется встроенным, или внутренним кэшем; он непосредственно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора.

Кэш-память второго уровня называется вторичным, или внешним кэшем; он устанавливается вне микросхемы процессора.

Первоначально кэш-память проектировалась как асинхронная, то есть не была синхронизирована с шиной процессора и могла работать на другой тактовой частоте. При внедрении набора микросхем системной логики 430FX в начале 1995 года был разработан новый тип синхронной кэш-памяти. Она работает синхронно с шиной процессора, что повышает ее быстродействие и эффективность. В то же время был добавлен режим pipeline burst mode (конвеерный монопольный режим). Он позволил сократить время ожидания за счет уменьшения количества состояний ожидания после первой передачи данных. Использование одного из этих режимов подразумевает наличие другого.

Разъемы SIMM и DIMM

В большинстве современных компьютеров вместо отдельных микросхем памяти используются модули SIMM или DIMM, представляющие собой небольшие платы, которые устанавливаются в специальные разъемы на системной плате или плате памяти. Отдельные микросхемы так припаяны к плате модуля SIMM или DIMM, что выпаять и заменить их практически невозможно. При появлении неисправности приходится заменять весь модуль. По существу, модуль SIMM или DIMM можно считать одной большой микросхемой.

Аббревиатура SIMM расшифровывается как Single Inline Memory Module (Модуль памяти с однорядным расположением выводов). Модули SIMM могут иметь объем 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. Соединение SIMM-модулей с системной платой осуществляется с помощью колодок.

Модуль вставляется в пластмассовую колодку под углом 70 -- градусов, а потом зажимается пластмассовым держателем. При этом плата встает вертикально. Специальные вырезы на модуле памяти не позволит поставить их неправильным образом.

Модули SIMM для соединения с системной платой имеют не штырьки, а позолоченные полоски (так называемые pin, пины).

Увеличение объема памяти.

Увеличение существующего объема памяти - один из наиболее эффективных и дешевых способов модернизации. Первый вопрос, который возникает при выборе оперативной памяти - это какой объем нужен? В первую очередь необходимый объем оперативной памяти определяет операционная система. Самая распространенная на сегодняшний день операционная система это Windows'98. Для того чтобы данная система могла более-менее спокойно работать ей необходимо ~32Mb оперативной памяти. Плюс нужна память для запуска рабочих приложений. Получаем следующее - для нормальной работы в среде Windows'98 необходимо 48Mb оперативной памяти. Если Вы будете играть в игры, то Вам потребуется от 64Mb до 128 Mb. В любом случае - оперативная память это важнейший элемент всего PC, ее объем напрямую связан с быстродействием того или иного компьютера.

Добавление памяти сравнительно недорогая операция. Кроме того, даже незначительное увеличение памяти может существенно повысить производительность компьютера.

Добавить память в компьютер можно тремя способам:

1. Добавление памяти в свободные разъемы платы.

2. Замена установленной памяти, памятью большего объема.

3. Приобретение платы расширения памяти.

Литература