Разработка и программирование логических микросхем ОЗУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание:

Введение

Глава 1. Оперативная память: основные понятия

1.1 Память типа ROM

1.2 Память типа DRAM

1.3 Кэш-память SRAM

Глава 2. Типы ОЗУ и производительность

2.1 Быстрый постраничный режим динамической оперативной памяти

2.2 Оперативная память EDO

2.3 SDRAM

2.4 DDR SDRAM

2.5 DDR2 SDRAM

2.6 RDRAM

Глава 3. Модули памяти

3.1 Модули SIMM, DIMM и RIMM

3.2 Регистровые модули

3.3 Определение объема и других характеристик модулей памяти

3.4 Быстродействие памяти

Глава 4. Контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC)

4.1 Контроль четности

4.2 Схема проверки четности

4.3 Код коррекции ошибок

4.4 Стратегия модернизации

Глава 5. Логическая организация памяти

Охрана труда и техника безопасности

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Слово «компьютер» означает «вычислитель». Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно.

В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики развитых и развивающихся стран. Причины стремительного роста индустрии персональных компьютеров:

невысокая стоимость;

сравнительная выгодность для многих деловых применений;

простота использования;

возможность индивидуального взаимодействия с компьютеров без посредников и ограничений;

высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации;

высокая надежность, простота ремонта и эксплуатации;

возможность расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров;

наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения.

Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постоянно расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного шара.

Так что же представляет собой это уникальное человеческое изобретение? Первый признак, по которому разделяют компьютеры, - платформа. Можно выделить две основные платформы ПК:

Платформа IBM - совместимых компьютеров включает в себя громадный спектр самых различных компьютеров, от простеньких домашних персоналок до сложных серверов. Именно с этим типом платформ обычно сталкивается пользователь. Кстати, совершенно не обязательно, что лучшие IBM - совместимые компьютеры изготовлены фирмой IBM - породивший этот стандарт «голубой гигант» сегодня лишь один из великого множества производителей ПК.

Платформа Apple представлена довольно популярными на Западе компьютерами Macintosh. Они используют своё, особое программное обеспечение, да и «начинка» их существенно отличается от IBM. Но в России большого распространения они не получили.

Обычно IBM-совместимые ПК состоят из трех частей (блоков):

системного блока;

монитора (дисплея);

клавиатуры (устройства, позволяющего вводить символы в компьютер).

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в «наколенном» (лэптоп 4-12кг), или «блокнотном» (ноутбук 2-6кг),

Рис.1. Внешнее строение настольного ПК и ноутбука

исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус:

Если снять корпус системного блока и посмотреть внутрь, то можно увидеть детали, соответствующее следующей схеме архитектуры ПК:

Схема 1. Общая схема архитектуры ПК.

Данная схема является примером внутренней «начинки» компьютера, естественно, что при наличии или отсутствии тех или иных устройств схема изменится. Однако есть устройства, которые в любом случае установлены на современном персональном компьютере. О них-то и пойдёт дальнейший разговор.

Оперативная память (RAM, ОЗУ) обеспечивает работу с программным обеспечением. Из неё процессор и сопроцессор (устройство, помогающее выполнять процессору сложные математические вычисления) берут программы и исходные данные для обработки. Характеристика оперативной памяти - объём, измеряемый в мегабайтах (Мб). Оперативная память выпускается в виде микросхем, собранных в специальные модули: SIMM, DIMM или новейший модуль RIMM. Каждый модуль может вмешать от 1 до 512 Мб. Лучшие модули памяти, поступающие на наш рынок, украшены лейблом Kingstone, Micron, Samsung. Конечно, «безымянные» модули собираются из таких же микросхем и стоят намного дешевле, но переплата нескольких десятков долларов за фирму себя окупает.

Чтобы компьютер работал, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера. Таким образом, для компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом.

Глава 1. Оперативная память: основные понятия

В этой главе память рассматривается как в логическом, так и в физическом аспекте. Здесь описаны микросхемы и модули памяти, которые можно установить в компьютере. Кроме того, речь идет о структуре памяти, ее разбивке на области и о назначении этих областей. Глава содержит много полезной информации, благодаря которой вы сможете использовать компьютер гораздо эффективнее.

Оперативная память -- это рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими устройствами с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором. Однако иногда термин память относится также к внешним запоминающим устройствам, таким, как диски и накопители на магнитной ленте.

За несколько лет определение RAM (Random Access Memory) превратилось из обычной аббревиатуры в термин, обозначающий основное рабочее пространство памяти, создаваемое микросхемами динамической оперативной памяти (Dynamic RAM -- DRAM) и используемое процессором для выполнения программ. Одним из свойств микросхем DRAM (и, следовательно, оперативной памяти в целом) является динамическое хранение данных, что означает, во-первых, возможность многократной записи информации в оперативную память, а во-вторых, необходимость постоянного обновления данных (т.е., в сущности, их перезапись) примерно каждые 15 мс (миллисекунд). Также существует так называемая статическая оперативная память (Static RAM -- SRAM), не требующая постоянного обновления данных. Следует заметить, что данные сохраняются в оперативной памяти только при включенном питании.

Под компьютерной памятью обычно подразумевается ОЗУ (RAM), т.е. физическая память системы, которая состоит из микросхем или модулей памяти, используемых процессором для хранения основных, запущенных в текущий момент времени программ и данных. При этом термин хранилище данных относится не к оперативной памяти, а к таким устройствам, как жесткие диски и накопители на магнитной ленте (которые, тем не менее, можно использовать как разновидность RAM, получившую название виртуальная память).

Термин оперативная память часто обозначает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение -- это способ представления адресов памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение -- это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы.

Новички часто путают оперативную память с памятью на диске, поскольку емкость устройств памяти обоих типов выражается в одинаковых единицах -- мега- или гигабайтах.

Попытаемся объяснить связь между оперативной памятью и памятью на диске с помощью следующей простой аналогии.

Представьте себе небольшой офис, в котором некий сотрудник обрабатывает информацию, хранящуюся в картотеке. В нашем примере шкаф с картотекой будет выполнять роль жесткого диска системы, где длительное время хранятся программы и данные. Рабочий стол будет представлять оперативную память системы, которую в текущий момент обрабатывает сотрудник, -- его действия подобны работе процессора. Он имеет прямой доступ к любым документам, находящимся на столе. Однако, прежде чем конкретный документ окажется на столе, его необходимо отыскать в шкафу. Чем больше в офисе шкафов, тем больше документов можно в них хранить. Если рабочий стол достаточно большой, можно одновременно работать с несколькими документами.

Добавление к системе жесткого диска подобно установке еще одного шкафа для хранения документов в офисе -- компьютер может постоянно хранить большее количество информации. Увеличение объема оперативной памяти в системе подобно установке большего рабочего стола -- компьютер может работать с большим количеством программ и данных одновременно.

Впрочем, есть одно различие между хранением документов в офисе и файлов в компьютере: когда файл загружен в оперативную память, его копия все еще хранится на жестком диске. Обратите внимание: поскольку невозможно постоянно хранить файлы в оперативной памяти, все измененные после загрузки в память файлы должны быть вновь сохранены на жестком диске перед выключением компьютера. Если измененный файл не будет сохранен, то первоначальная копия файла на жестком диске останется неизменной.

Во время выполнения программы в оперативной памяти хранятся ее данные. Микросхемы оперативной памяти (RAM) иногда называют энергозависимой памятью: после выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, если они предварительно не были сохранены на диске или другом устройстве внешней памяти. Чтобы избежать этого, некоторые приложения автоматически делают резервные копии данных.

Файлы компьютерной программы при ее запуске загружаются в оперативную память, в которой хранятся во время работы с указанной программой. Процессор выполняет программно реализованные команды, содержащиеся в памяти, и сохраняет их результаты. Оперативная память хранит коды нажатых клавиш при работе с текстовым редактором, а также величины математических операций. При выполнении команды Сохранить (Save) содержимое оперативной памяти сохраняется в виде файла на жестком диске.

Физически оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к системной плате. Эти микросхемы или модули могут иметь различные характеристики и, чтобы функционировать правильно, должны быть совместимы с системой, в которую устанавливаются.

Сумма, потраченная вами на приобретении модулей памяти для своего ПК, в значительной мере зависит от категории модулей памяти. Стандартные модули DDR или DDR2 DRAM объемом от 256 Мбайт до 1 Гбайт вряд ли окажутся самым дорогостоящим компонентом в вашем компьютере, так как стоимость модуля объемом 1 Гбайт уже давно опустилась ниже уровня 100 долларов США. Однако если речь идет о модулях для производительных (а зачастую и разогнанных) систем, их стоимость значительно возрастает. До обвального падения цен на память в середине 1996 года в течение многих лет цена одного мегабайта памяти держалась приблизительно на уровне 40 долларов; 16 Мбайт (в то время это типичная конфигурация) стоили более 600 долларов. Фактически до середины 1996 года память была невероятно дорога: ее цена превышала стоимость слитка золота, который весил столько же, сколько и модуль памяти. Высокие цены привлекли внимание преступников, и несколько складов крупных производителей модулей памяти подверглись вооруженному нападению. Цена модулей была значительной, спрос ничуть не меньше, поэтому украденные микросхемы было практически невозможно отследить. После нескольких нападений на склады производители модулей памяти начали нанимать вооруженных охранников, а также предпринимать другие меры безопасности.

К концу 1996 года цена одного мегабайта памяти снизилась приблизительно до 4 долларов. В 1997 году стоимость памяти опустилась до наиболее низкой за всю ее историю отметки, достигнув 50 центов за 1 Мбайт. Все было неплохо до 1998 года, когда цены на модули памяти подскочили в четыре раза. Основным виновником была компания Intel, навязавшая компьютерной индустрии память стандарта Rambus DRAM (RDRAM) и не сумевшая вовремя предоставить соответствующие наборы микросхем системной логики. Производители были вынуждены перейти на изготовление типов памяти, для которых не существовало готовых системных плат и наборов микросхем, что привело к недостаче популярной памяти SDRAM. Землетрясение на о. Тайвань еще более усугубило ситуацию и привело к дальнейшему росту цен.

Тем не менее, постепенно все вернулось на круги своя и стоимость памяти составила 20 центов за мегабайт и меньше. В частности, 2001 год стал для полупроводниковой промышленности годом катастроф, что выразилось в заметном снижении объема продаж по сравнению с товарооборотом последних лет. Происшедшие события вынудили производителей максимально уменьшить цены на память и даже привели к объединению или перепрофилированию некоторых компаний.

Хотя память значительно подешевела, модернизировать ее приходится намного чаще, чем несколько лет назад. В настоящее время новые типы памяти разрабатываются гораздо быстрее, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет установить память устаревшего типа, как никогда велика. Поэтому при замене системной платы зачастую приходится заменять и память.

В связи с этим при выборе типа устанавливаемой памяти следует все хорошо обдумать и просчитать, чтобы минимизировать затраты на будущую модернизацию (или ремонт).

В современных компьютерах используются запоминающие устройства трех основных типов.

ROM (Read Only Memory). Постоянное запоминающее устройство -- ПЗУ, не способное выполнять операцию записи данных.

DRAM (Dynamic Random Access Memory). Динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки.

SRAM (Static RAM). Статическая оперативная память.

1.1 Память типа ROM

В памяти типа ROM (Read Only Memory), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), данные можно только хранить, изменять их нельзя. Именно поэтому такая память используется только для чтения данных. ROM также часто называется энергонезависимой памятью, потому что любые данные, записанные в нее, сохраняются при выключении питания. Поэтому в ROM помещаются команды запуска ПК, т.е. программное обеспечение, которое загружает систему.

Заметьте, что ROM и оперативная память -- не противоположные понятия. На самом деле ROM представляет собой часть оперативной памяти системы. Другими словами, часть адресного пространства оперативной памяти отводится для ROM. Это необходимо для хранения программного обеспечения, которое позволяет загрузить операционную систему.

Основной код BIOS содержится в микросхеме ROM на системной плате, но на платах адаптеров также имеются аналогичные микросхемы. Они содержат вспомогательные подпрограммы BIOS и драйверы, необходимые для конкретной платы, особенно для тех плат, которые должны быть активизированы на раннем этапе начальной загрузки, например для видеоадаптера. Платы, не нуждающиеся в драйверах на раннем этапе начальной загрузки, обычно не имеют ROM, поскольку их драйверы могут быть загружены с жесткого диска позже -- в процессе начальной загрузки.

В настоящее время в большинстве систем используется одна из форм флэш-памяти, которая называется электрически стираемой программируемой постоянной памятью (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory -- EEPROM). Флэш-память является по-настоящему энергонезависимой и перезаписываемой, она позволяет пользователям легко модифицировать ROM, программно-аппаратные средства системных плат и других компонентов (таких, как видеоадаптеры, платы SCSI, периферийные устройства и т.п.).

1.2 Память типа DRAM

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 упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить 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 циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах, работающих на частотах, равных сотням мегагерц, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS. Интервал между циклами обновления называется tREF и задается ни в миллисекундах, а в тактах.

Текущее значение tREF (период обновления) для данной системной платы

Рис. 2. Период обновления, а также другие временные настройки памяти задаются в соответствующем разделе программы BIOS Setup

Очень важно понимать, что увеличение значения интервала между циклами обновления (tREF) для повышения быстродействия системы может привести к случайным, произвольным ошибкам (soft memory).

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 Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры. При автоматической установке системная плата считывает параметры синхронизации из системы определения последовательности в ПЗУ (serial presence detect -- SPD) и устанавливает частоту периодической подачи импульсов в соответствии с полученными данными.

В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время имеются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 1 Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более миллиарда транзисторов! А ведь Pentium D 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 для каждого одноразрядного регистра DRAM используется 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, и к потере данных. В работающей системе подобное приводит к появлению “синего” экрана, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы.

Динамическая оперативная память используется в персональных компьютерах; поскольку она недорогая, микросхемы могут быть плотно упакованы, а это означает, что запоминающее устройство большой емкости может занимать небольшое пространство. К сожалению, память этого типа не отличается высоким быстродействием, обычно она намного “медленнее” процессора. Поэтому существует множество различных типов организации DRAM, позволяющих улучшить эту характеристику.

1.3 Кэш-память SRAM

Существует тип памяти, совершенно отличный от других, -- статическая оперативная память (Static RAM -- SRAM). Она названа так потому, что, в отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем DRAM, 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 шести транзисторов. Использование транзисторов без каких-либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. (Ведь если нет никаких конденсаторов, то и заряды не теряются.) Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено. Почему же тогда микросхемы SRAM не используются для всей системной памяти? Ответ можно найти в табл. 6.1

Таблица 1. Сравнение памяти DRAM и SRAM

Тип	Быстродействие	Плотность	Стоимость
Динамическая оперативная память - DRAM	Низкое	Высокая	Низкая
Динамическая оперативная память - SRAM	Высокое	Низкая	Высокая

По сравнению с DRAM быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее гораздо ниже, а цена довольно высока. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластеризованное их размещение не только увеличивает габариты микросхем SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM. Например, емкость модуля DRAM может равняться 64 Мбайт или больше, в то время как емкость модуля SRAM приблизительно того же размера составляет только 2 Мбайт, причем их стоимость будет одинаковой. Таким образом, габариты SRAM в среднем в 30 раз превышают размер DRAM, то же самое можно сказать и о стоимости. Все это не позволяет использовать память типа SRAM в качестве оперативной памяти в персональных компьютерах.

Несмотря на это, разработчики все-таки применяют память типа SRAM для повышения эффективности ПК. Но во избежание значительного повышения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной памяти SRAM, которая используется в качестве кэшпамяти. Кэш-память работает на тактовых частотах, близких или даже равных тактовым частотам процессора, причем обычно именно эта память непосредственно используется процессором при чтении и записи. Во время операций чтения данные в высокоскоростную кэш-память предварительно записываются из оперативной памяти с низким быстродействием, т.е. из DRAM. Еще недавно время доступа DRAM было не менее 60 нс (что соответствует тактовой частоте 16 МГц). Для преобразования времени доступа из наносекунд в мегагерцы используется следующая формула:

1/наносекунды Ч 1000 = МГц.

Обратное вычисление осуществляется с помощью такой формулы:

1/МГц Ч 1000 = наносекунды.

Когда процессор ПК работал на тактовой частоте 16 МГц и ниже, DRAM могла быть синхронизирована с системной платой и процессором, поэтому кэш был не нужен. Однако, как только тактовая частота процессора поднялась выше 16 МГц, синхронизировать DRAM с процессором стало невозможно, и именно тогда разработчики начали использовать SRAM в персональных компьютерах. Это произошло в 1986-87 годах, когда появились компьютеры с процессором 386, работающим на частотах 16 и 20 МГц. Именно в этих ПК впервые нашла применение так называемая кэш-память, т.е. высокоскоростной буфер, построенный на микросхемах SRAM, который непосредственно обменивается данными с процессором. Поскольку быстродействие кэша может быть сравнимо с быстродействием процессора, контроллер кэша может предугадывать потребности процессора в данных и предварительно загружать необходимые данные в высокоскоростную кэш-память. Тогда при выдаче процессором адреса памяти данные могут быть переданы из высокоскоростного кэша, а не из оперативной памяти, быстродействие которой намного ниже.

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.

Когда процессор считывает данные из оперативной памяти, ему приходится какое-то время “ждать”, поскольку тактовая частота оперативной памяти значительно ниже, чем процессора. Если процессор со встроенной в кристалл кэш-памятью работает на частоте 3 400 МГц (3,4 ГГц), то продолжительность цикла процессора и интегральной кэш-памяти в этом случае достигнет 0,29 нс, в то время как продолжительность цикла оперативной памяти будет в 8,5 раз больше, т.е. примерно 2,5 или 5 нс для памяти с удвоенной скоростью передачи данных (Double Data Rate -- DDR). Таким образом, тактовая частота памяти будет всего лишь 400 МГц. Следовательно, в том случае, когда процессор с тактовой частотой 3,4 ГГц считывает данные из оперативной памяти, его рабочая частота уменьшается в 8,5 раз, что и составляет 400 МГц. Замедление обусловлено периодом ожидания (wait state). Если процессор находится в состоянии ожидания, то на протяжении всего цикла (такта) никакие операции не выполняются; процессор, по существу, ждет, пока необходимые данные поступят из более медленной оперативной памяти. Поэтому именно кэш-память позволяет сократить количество “простоев” и повысить быстродействие компьютера в целом.

Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в современных ПК обычно предусмотрены три типа кэш-памяти: кэшпамять первого уровня (L1), кэш-память второго уровня (L2) и кэш-память третьего уровня (L3). Кэш-память первого уровня также называется встроенным или внутренним кэшем; он непосредственно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора. Во всех процессорах 486 и выше кэш-память первого уровня интегрирована в микросхему. Кэшпамять второго уровня называется вторичным или внешним кэшем; он устанавливается вне микросхемы процессора. Первоначально она устанавливалась на системной плате. (Так было во всех компьютерах на основе процессоров 386, 486 и Pentium.) Если кэш-память второго уровня установлена на системной плате, то она работает на ее частоте. В этом случае кэшпамять второго уровня обычно находится рядом с разъемом процессора.

Начиная с 1999 года кэш-память второго уровня стала частью процессора, поскольку была интегрирована непосредственно в процессорное ядро наравне с кэш-памятью первого уровня. При этом кэш-память второго уровня работает на полной частоте процессора, обеспечивая на порядок большую производительность, чем кэш-память в более старых процессорах (произведенных до 1999 года), реализованная в виде отдельной внешней микросхемы. Кэшпамять второго уровня во многих старых процессорах работает на частоте, составляющей половину или одну треть частоты ядра процессора. Быстродействие кэш-памяти имеет особое значение, поэтому компьютеры с кэш-памятью, представляющей собой отдельную микросхему, установленную на системной плате, обладали небольшой производительностью. Перенос кэш-памяти в один корпус с процессором улучшил положение дел, а добавление кэш-памяти непосредственно в ядро обеспечило оптимальные результаты. Таким образом, любой процессор с кэш-памятью второго уровня, интегрированной в ядро и работающей на полной частоте процессора, обладает значительным преимуществом в быстродействии по сравнению с другими схемами использования кэш-памяти второго уровня.

Кэш-память второго уровня, встроенная в процессор (в ядро или корпус), работает быстрее, чем при установке на системную плату. Поэтому современные системные платы не содержат модулей кэш-памяти.

Кэш-память третьего уровня была впервые представлена в процессорах для рабочих станций и серверов, таких, как Xeon и Itanium, в 2001 году. Первым процессором для настольных ПК, в котором использовался кэш третьего уровня, был представленный в конце 2003 года процессор Pentium 4 Extreme Edition; он был оснащен интегрированным кэшем третьего уровня объемом 2 Мбайт. Хотя на момент представления процессоров Pentium 4 Extreme Edition, оснащенных кэш-памятью третьего уровня L3, казалось, что это станет стандартным свойством всех последующих процессоров, последующие версии Pentium 4 Extreme Edition (а также его наследника, Pentium Extreme Edition) кэш-памятью третьего уровня уже не оснащались. Вместо этого был значительно увеличен объем кэш-памяти второго уровня.

Ключ к пониманию особенностей кэш-памяти и основной памяти состоит в том, чтобы знать, как память различного типа влияет на общее быстродействие системы.

Первоначально кэш-память проектировалась как асинхронная, т.е. 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 (конвейерный 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. Оба режима позволяют повысить производительность компьютера на 20%.

Контроллер кэш-памяти для современной системы содержится в микросхеме North Bridgeнабора микросхем системной логики в PC на основе Pentium и более простых или на плате процессора, как в случае с Pentium Pro, Pentium II/III и более новыми системами. Возможности контроллера кэш-памяти предопределяют эффективность и возможности кэш-памяти. Важная особенность состоит в том, что большинство контроллеров кэш-памяти имеют ограничение на объем кэшируемой памяти. Часто этот предел может быть очень низок, как в случае набора микросхем системной логики 430TX для компьютеров на основе Pentium. Этот набор микросхем может кэшировать данные только первых 64 Мбайт оперативной памяти системы. Если установлен больший объем памяти, работа компьютера значительно замедляется, потому что все данные вне первых 64 Мбайт никогда не попадут в кэш и при обращении к ним будут всегда необходимы все состояния ожидания, определяемые более медленной динамической оперативной памятью. Снижение эффективности зависит от программного обеспечения и от адресов, по которым хранятся данные в памяти. Например, 32-разрядные операционные системы Windows загружаются сверху вниз, так что если установлена оперативная память емкостью 96 Мбайт, то и операционная система, и прикладные программы будут загружаться в верхние 32 Мбайт, которые не кэшируются. Это значительно замедлит работу компьютера в целом. В данном случае можно удалить дополнительную память, чтобы уменьшить емкость до 64 Мбайт. Другими словами, неблагоразумно устанавливать большую емкость памяти, чем позволяет кэшировать набор микросхем системной логики.

Процессор Pentium II и наборы микросхем системной логики более поздних версий не позволяют управлять кэш-памятью второго уровня, так как она встраивается в процессор. Поэтому при использовании Pentium II и процессоров последующих версий устанавливаются определенные ограничения кэширования памяти. Процессоры с внутренним кэшем первого и второго уровней имеют ограничение, равное соответственно 512 Мбайт и 4 Гбайт, а при использовании Pentium III и Pentium 4 объем кэшируемой памяти увеличивается до 4 Гбайт. Большинство наборов микросхем системной логики для настольных процессоров поддерживают максимальный объем установленной оперативной памяти, равный 1, 2 или 4 Гбайт, тем самым ограничивая эффективность кэширования данных. В свою очередь, процессоры Xeon для серверных систем реализуют адресацию до 64 Гбайт оперативной памяти, превышая максимальный объем RAM, поддерживаемый любым из существующих наборов микросхем.

Не следует устанавливать больший объем памяти, чем позволяет контроллер кэш-памяти. Для того чтобы определить ограничения объема кэшируемой памяти, существующие в системе, обратитесь к технической документации набора микросхем системной логики (при использовании систем класса Pentium, процессоров более ранних версий или систем с кэшпамятью, встроенной в системную плату) либо обратите внимание на характеристики процессора (при использовании систем класса Pentium II, процессоров более современных версий или систем с кэш-памятью, встроенной в процессор).

Глава 2. Типы ОЗУ и производительность

Быстродействие процессора выражается в мегагерцах (МГц), а быстродействие запоминающего устройства и его эффективность -- в наносекундах (нс).

Наносекунда -- это одна миллиардная доля секунды, т.е. очень короткий промежуток времени. Заметьте, что скорость света в вакууме равна 299 792 км/с. 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. миллиардах тактов в секунду. Предполагалось, что к концу 2005 года появятся процессоры с тактовой частотой 5 ГГц и выше, однако эти прогнозы не оправдались.

Современные процессоры работают с частотами 2-4 ГГц, а увеличение производительности достигается за счет совершенствования архитектуры ядра, а также улучшения быстродействия других подсистем.

Очень легко запутаться, сравнивая, например, процессор и модули памяти, быстродействие которых выражено в разных единицах. В табл. 6.3 представлена зависимость между быстродействием, выраженным в наносекундах (нс) и в мегагерцах (МГц).

Как можно заметить, при увеличении тактовой частоты продолжительность цикла уменьшается, а быстродействие, соответствующее 60 нс памяти DRAM, используемой в обычном компьютере, мизерно по сравнению с процессором, работающим на частоте 400 МГц и выше. Заметьте, что до недавнего времени большинство микросхем DRAM, используемых в персональных компьютерах, имели время доступа 60 нс, которое равнозначно тактовой частоте 16,7 МГц! Поскольку эта “медленная” память устанавливается в системы, в которых процессор работает на частоте 300 МГц и выше, возникает несоответствие между эффективностью оперативной памяти и процессора. В 2000 году чаще всего применялась память PC100 или PC133, которая работает на частоте 100 или 133 МГц соответственно. Начиная с 2001 года память стандартов DDR (200 и 266 МГц) и RDRAM (800 МГц) стала завоевывать все большую популярность. В 2002 году появилась память DDR с частотой 333 МГц, которая была увеличена в 2003 году до 400 МГц. В 2004 году была представлена память DDR2 с рабочей частотой 400 и 533 МГц.

Поскольку транзисторы для каждого бита в микросхеме памяти размещены в узлах решетки, наиболее рационально адресовать каждый транзистор, используя номер столбца и строки. Сначала выбирается строка, затем столбец адреса и, наконец, пересылаются данные. Начальная установка строки и столбца адреса занимает определенное время, обычно называемое временем задержки или ожиданием. Время доступа для памяти равно времени задержки для выборки столбца и строки адреса плюс продолжительность цикла. Если длительность цикла памяти равна 7,5 нс (133 МГц), а длительность цикла процессора -- 1 нс (1 ГГц), то процессор должен находиться в состоянии ожидания приблизительно 6 циклов -- до 17-го цикла, т.е. до поступления данных. Таким образом, состояния ожидания замедляют работу процессора настолько, что он вполне может функционировать на частоте 133 МГц.

Эта проблема существовала на протяжении всей компьютерной эпохи. Для успешного взаимодействия процессора с более медленной основной памятью обычно требовалось несколько уровней высокоскоростной кэш-памяти.

2.1 Быстрый постраничный режим динамической оперативной памяти

Чтобы сократить время ожидания, стандартная память DRAM разбивается на страницы. Обычно для доступа к данным в памяти требуется выбрать строку и столбец адреса, что занимает некоторое время. Разбивка на страницы обеспечивает более быстрый доступ ко всем данным в пределах некоторой строки памяти, т.е. если изменяется не номер строки, а только номер столбца. Такой режим доступа к данным в памяти называется быстрым постраничным режимом (Fast Page Mode), а сама память -- памятью Fast Page Mode. Другие вариации постраничного режима называются Static Column или Nibble Mode.

Схема повышения эффективности памяти довольно проста: память разбивается на страницы длиной от 512 байт до нескольких килобайт. Электронная схема пролистывания позволяет при обращении к ячейкам памяти в пределах страницы сократить количество состояний ожидания. Если нужная ячейка памяти находится вне текущей страницы, то добавляется одно или больше состояний ожидания, так как система выбирает новую страницу.

Для повышения скорости доступа к памяти были разработаны и другие схемы. Одним из наиболее существенных изменений было внедрение пакетного (burst) режима доступа в процессоре 486 и более поздних. В большинстве случаев доступ к памяти является последовательным. Если же установить строку и столбец адреса в пакетном режиме, можно обращаться к следующим трем смежным адресам без дополнительных состояний ожидания. И в этом несомненное преимущество использования данного режима. Однако доступ в пакетном режиме обычно ограничивается четырьмя операциями. Чтобы объяснить это, обратимся к схеме синхронизации по количеству циклов для каждой операции доступа. Схема синхронизации типичного доступа в пакетном режиме для стандартной динамической оперативной памяти выглядит следующим образом: x-y-y-y, где x -- время выполнения первой операции доступа (продолжительность цикла плюс время ожидания), а y -- число циклов, необходимых для выполнения каждой последующей операции доступа.

Схема синхронизации в пакетном режиме для стандартной DRAM со временем доступа 60 нс обычно выглядит так: 5-3-3-3. Это означает, что первая операция доступа занимает пять циклов на системной шине с частотой 66 МГц, что приблизительно равно 75 нс (5Ч15 нс; 15 нс -- длительность одного цикла), в то время как последующие операции занимают по три цикла каждая (3Ч15 нс = 45 нс). Заметьте, что без разбивки на страницы схема доступа к памяти выглядела бы как 5-5-5-5, потому что для каждой передачи данных запоминающему устройству потребовалось бы одно и то же время ожидания.

DRAM, поддерживающая разбивку на страницы и пакетный режим, называется памятью с быстрым постраничным режимом (Fast Page Memory -- FPM). Этим подчеркивается, что для доступа к данным в памяти без смены страницы требуется меньшее количество циклов ожидания. В большинстве компьютеров 486 и более новых используется память FPM, а в более старых компьютерах установлена обычная динамическая оперативная память.

Другой метод ускорения FPM называется чередованием. Этот метод использует совместно два отдельных банка памяти, распределяя четные и нечетные байты между этими банками. Когда происходит обращение к одному банку, в другом банке выбираются строка и столбец адреса. К моменту окончания выборки данных в первом банке во втором закончатся циклы ожидания и он будет готов к выборке данных. Когда данные выбираются из второго банка, в первом идет процесс выборки строки и столбца адреса для следующей операции доступа. Это совмещение (перекрытие по времени) операций доступа в двух банках сокращает время ожидания и обеспечивает более быстрый поиск данных. Единственная проблема состоит в том, что для использования этого метода необходимо установить идентичные пары банков, а при этом удваивается количество микросхем SIMM или DIMM. Чередование широко использовалось в 32-разрядных запоминающих устройствах для процессора 486, но малоэффективно в случае 64-разрядной памяти в процессоре Pentium. Чтобы использовать чередование памяти в Pentium, необходимо установить 128-разрядную память, т.е. четыре микросхемы SIMM с 72 контактами или две микросхемы DIMM.

2.2 Оперативная память EDO

Начиная с 1995 года в компьютерах на основе Pentium используется новый тип оперативной памяти -- EDO (Extended Data Out). Это усовершенствованный тип FPM; его иногда называют Hyper Page Mode. Память типа EDO была разработана и запатентована компанией Micron Technology (позже лицензии приобрели многие другие изготовители). Память EDO собирается из специально изготовленных микросхем, которые учитывают перекрытие синхронизации между очередными операциями доступа. Как следует из названия -- Extended Data Out, драйверы вывода данных на микросхеме, в отличие от FPM, не выключаются, когда контроллер памяти удаляет столбец адреса в начале следующего цикла. Это позволяет совместить (по времени) следующий цикл с предыдущим, экономя приблизительно 10 нс в каждом цикле.

Таким образом, контроллер памяти EDO может начать выполнение новой команды выборки столбца адреса, а данные будут считываться по текущему адресу. Это почти идентично использованию различных банков для чередования памяти, но, в отличие от чередования, не нужно одновременно устанавливать два идентичных банка памяти в системе.

Для оперативной памяти EDO схема синхронизации в пакетном режиме имеет вид 5-2-2-2, а не 5-3-3-3, как для стандартной памяти Fast Page Mode. Это означает, что четыре передачи данных из памяти EDO занимают 11 полных системных циклов (сравните с 14-ю полными циклами для FPM). Благодаря этому при проведении специальных тестов быстродействие увеличилось на 22%, однако в фактических испытаниях памяти EDO на эталонных тестах быстродействие всей системы обычно повышается примерно на 5%. Хотя такое увеличение может показаться совсем небольшим, главное преимущество EDO состоит в том, что в запоминающих устройствах подобного типа используются те же самые микросхемы динамической оперативной памяти, что и в FPM. И стоимость таких запоминающих устройств равна стоимости FPM. Но при этом EDO обладает более высокой эффективностью, чем FPM.

Для того чтобы использовать память EDO, набор микросхем системной логики на системной плате должен поддерживать ее. Большинство подобных наборов микросхем, начиная с 430FX (Triton), выпущенного Intel в 1995 году, поддерживают EDO. Поскольку микросхемы памяти EDO стоили столько же, сколько и стандартные микросхемы, Intel, а вслед за ней и остальные производители стали поддерживать EDO во всех наборах микросхем системной логики.

Оперативная память EDO идеальна для систем с быстродействием шины до 66 МГц. Такие шины использовались до 1997 года включительно; однако в течение 1998 года память EDO была заменена более новой и быстрой памятью SDRAM (Synchronous DRAM -- синхронная DRAM). Эта новая архитектура стала новым стандартом оперативной памяти ПК.

2.3 SDRAM

Это тип динамической оперативной памяти (DRAM), работа которой синхронизируется с шиной памяти. SDRAM передает информацию в высокоскоростных пакетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс. SDRAM позволяет избежать использования большинства циклов ожидания, необходимых при работе асинхронной DRAM, поскольку сигналы, по которым работает память такого типа, синхронизированы с тактовым генератором системной платы.

Как и для оперативной памяти EDO, для памяти этого типа требуется поддержка набором микросхем системной логики. Начиная с наборов 430VX и 430TX, выпущенных в 1997 году, все наборы микросхем системной логики компании Intel полностью поддерживают SDRAM. Этот тип памяти стал самым популярным в новых системах, выпущенных в 2000 и 2001 годах.

Эффективность SDRAM значительно выше по сравнению с оперативной памятью FPM или EDO. Поскольку SDRAM -- это тип динамической оперативной памяти, ее начальное время ожидания такое же, как у памяти FPM или EDO, но общее время цикла намного короче. Схема синхронизации пакетного доступа SDRAM выглядит так: 5-1-1-1, т.е. четыре операции чтения завершаются всего лишь за восемь циклов системной шины (сравните с 11 циклами для EDO и 14 для FPM).

Кроме этого, SDRAM может работать на частоте 133 МГц (7,5 нс) и выше, что стало новым стандартом для системного быстродействия начиная с 1998 года. Фактически все новые персональные компьютеры, проданные с 1998 по 2000 год, имеют память типа SDRAM.

Память SDRAM поставляется в виде модулей DIMM и, как правило, ее быстродействие оценивается в мегагерцах, а не в наносекундах. Физические характеристики модулей DIMM описываются далее в главе.

В мае 1999 года организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council -- Объединенный совет по электронным устройствам) создала спецификацию PC133. Частота 133 МГц была достигнута путем улучшения характеристик синхронизации и емкости памяти стандарта PC100. Модули памяти PC133 быстро приобрели популярность, став идеальным выбором для системных плат с частотой шины процессора 133 МГц. Базовые модули памяти PC133 обладали быстродействием 7,5 нс и тактовой частотой 133 МГц, в то время как более новые отличались быстродействием 7 нс и частотой 143 МГц. Новые микросхемы памяти PC133 также характеризовались уменьшенным временем ожидания при выборке CAS (column address strob -- строб адреса столбца), благодаря чему оптимизировалось время цикла памяти.

2.4 DDR SDRAM

Память DDR (Double Data Rate -- двойная скорость передачи данных) -- это еще более усовершенствованный стандарт SDRAM, при использовании которого скорость передачи данных удваивается. Это достигается не за счет удвоения тактовой частоты, а за счет передачи данных дважды за один цикл: первый раз в начале цикла, а второй -- в конце (рис. 6.2). Имен но благодаря этому и удваивается скорость передачи (причем используются те же частоты и синхронизирующие сигналы).

Память стандарта DDR получила поддержку на рынке графических плат и затем стала основным стандартом для современных ПК. К настоящему времени DDR SDRAM поддерживается основными производителями процессоров, наборов микросхем системной логики и модулей оперативной памяти.

Память DDR SDRAM впервые появилась на рынке в 2000 году, но лишь в 2001 году получили распространение поддерживающие этот стандарт системные платы и наборы микросхем. Модули DDR реализованы на базе новой архитектуры со 184 контактными выводами (об этом речь идет далее в главе).

Поставляемые модули DIMM памяти DDR SDRAM отличаются быстродействием, пропускной способностью и обычно работают при напряжении 2,5 В. Они представляют собой, в сущности, расширение стандарта SDRAM DIMM, предназначенное для поддержки удвоенной синхронизации, при которой передача данных, в отличие от стандарта SDRAM, происходит при каждом тактовом переходе, т.е. дважды за каждый цикл. Для того чтобы избежать путаницы, обычную память SDRAM часто называют памятью с одинарной скоростью передачи данных (Single Data Rate -- SDR).

Указанные значения пропускной способности относятся к одному модулю памяти. Современные наборы микросхем поддерживают двухканальный режим работы памяти DDR; при этом пара модулей DDR DIMM работает как один банк с удвоенной пропускной способностью одного модуля. Например, семейство наборов микросхем Intel 865 и 875 поддерживает двухканальный режим работы памяти DDR. Данные наборы микросхем поддерживают процессоры Pentium 4 с частотой шины FSB 800 МГц, обеспечивающей передачу 8 байт (64 бит) данных за такт, что позволяет достичь скорости передачи данных 6 400 Мбайт/с (800 Ч 8 = 6 400). При использовании процессоров с частотой FSB 800 МГц данные наборы микросхем поддерживают работу с моделями памяти PC3200, которые при двухканальном режиме обеспечивают пропускную способность 6 400 Мбайт/с (3 200 Мбайт/с Ч 2 = 6 400 Мбайт/с). В результате пропускные способности шины процессора и памяти совпадают, что обеспечивает очень высокое быстродействие. Вам удастся значительно повысить производительность компьютерной системы, если задать одинаковое быстродействие (подразумевается пропускная способность, а не частота в МГц) для процессорной шины и шины памяти, поскольку при этом обеспечивается синхронный обмен данными без задержек.

2.5 DDR2 SDRAM

Члены организации JEDEC в течение нескольких лет работали над спецификацией DDR2, которая постепенно приобретала реальные очертания. Производство микросхем и модулей памяти DDR2 началось в середине 2003 года, а наборы микросхем системной логики и соответствующие системные платы, поддерживающие DDR2, должны были появиться в первой половине 2004 года.

Память DDR2 SDRAM представляет собой более быстродействующую версию стандартной памяти DDR SDRAM -- большая пропускная способность достигается за счет использования дифференциальных пар сигнальных контактов, обеспечивающих улучшенную передачу сигналов и устранение проблем с сигнальными шумами/интерференцией. Предполагалось, что DDR2 обеспечит учетверенную скорость передачи данных, однако финальные образцы предоставляют лишь удвоенную скорость передачи, а модифицированный метод передачи сигналов позволяет достичь более высокой производительности. Максимальная частота памяти DDR достигает 533 МГц, в то время как рабочая частота модулей памяти DDR2 начинается с 400 МГц, доходит до 800 МГц и выше.