Разработка и программирование логических микросхем ОЗУ

Кроме более высокого быстродействия и пропускной способности, память стандарта DDR2 обладает и другими достоинствами. К ним относится уменьшенное по сравнению с памятью DDR напряжение (1,8 вместо 2,5 В), благодаря чему модули памяти DDR2 потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла. Микросхемы DDR2, обладающие большим количеством контактных выводов, поставляются в корпусе FBGA (Fine-pitch Ball Grid Array) вместо TSOP (Thin Small Outline Package), используемого для большинства микросхем DDR и SDRAM. Микросхемы FBGA соединены с подложкой (как правило, самим модулем памяти) посредством близко расположенных шаровых припоев, размещенных на поверхности микросхемы.

Массовое производство модулей DDR2 началось во второй половине 2003 года, а соответствующие наборы микросхем появились в начале 2004 года. Кроме того, некоторые модели производительных видеоадаптеров оснащались различными вариациями DDR2, такими, как G-DDR2 (Graphics DDR2 -- память DDR2 для графических адаптеров). Наборы микросхем для процессоров Intel поддерживают память DDR2 уже достаточно давно, в то время как процессоры Athlon 64 и Opteron компании AMD на протяжении 2005 года поддерживали только память DDR.

Начиная со второй половины 2006 года компания AMD добавила поддержку памяти DDR2 в обновленные версии процессоров Athlon 64, Sempron и Opteron.

Модули DDR2 DIMM похожи на обычные DDR DIMM, однако обладают большим количеством контактных выводов и несколько иначе расположенными установочными зазорами, призванными предотвратить неправильное использование модулей DDR2. Например, различное физическое расположение зазоров не позволит установить модуль памяти DDR2 в разъем DDR (или SDR). Модули DDR2 имеют 240 контактных выводов, т.е. на порядок больше, чем модули DDR или SDRAM DIMM.

2.6 RDRAM

Стандарт Rambus DRAM (RDRAM) представляет собой радикально новую архитектуру модулей памяти, которые устанавливались в высокопроизводительных компьютерах с 1999 по 2002 год. Компании Intel и Rambus подписали соглашение о сотрудничестве в 1996 году, в соответствии с которым Intel обязалась поддерживать память стандарта RDRAM до 2001 года. После этой даты Intel продолжала поддерживать память RDRAM, установленную в выпущенных ранее системах, однако новые наборы микросхем системной логики и системные платы были уже предназначены для DDR SDRAM. Более того, все последующие наборы микросхем и системные платы Intel поддерживают установку исключительно модулей памяти DDR или DDR2. Изначально предполагалось, что память стандарта RDRAM будет сопровождать выпуск быстродействующих процессоров до 2006 года. Однако без поддержки Intel в виде разработки соответствующих наборов микросхем лишь очень небольшая часть компьютеров, проданных в 2003 году, была оснащена модулями памяти RDRAM. Отсутствие поддержки со стороны основных производителей системных плат и наборов микросхем ведет к тому, что роль стандарта RDRAM в будущем компьютерной индустрии станет весьма незначительной.

Стандарт RDRAM представляет уникальную шину данных между микросхемами памяти, посредством которой специализированные устройства могут взаимодействовать друг с другом на очень высокой скорости. Стоит отметить, что впервые данная технология была разработана для игровых компьютерных приставок и применяется в таких системах, как Nintendo 64 GameCube и Sony Playstation 2.

Обычные типы памяти (FPM/RDO и SDRAM) иногда называют устройствами с широким каналом. Ширина канала памяти равна ширине шины данных процессора (в системах Pentium -- 64 бит). Максимальная производительность памяти SDRAM в исполнении DIMM составляет 100Ч8 (частота Ч количество передаваемых данных за один такт), или 800 Мбайт/с.

С другой стороны, память RDRAM является устройством с узким каналом передачи данных. Количество данных, передаваемых за один такт, достигает только 16 бит (2 байт), не счи тая двух дополнительных бит контроля четности, однако скорость передачи данных гораздо выше. В настоящее время происходит постепенный переход от параллельной конструкции модулей памяти к последовательной, что напоминает процесс, происходивший в свое время с шинами ПК.

Одноканальные 16-разрядные модули памяти RIMM работали вначале с частотой 800 МГц, благодаря чему общая пропускная способность достигала величины 800Ч2, или 1,6 Гбайт/с, для одного канала, что совпадает с характеристиками памяти PC1600 DDR-SDRAM. В первых системах Pentium 4 использовались оба банка памяти одновременно, создавая двухканальную структуру с пропускной способностью 3,2 Гбайт/с, что соответствует быстродействию шины оригинального процессора Pentium 4. Одной из особенностей конструкции RDRAM является уменьшенное время ожидания между передачами данных. Это связано с циклически повторяющимися передачами, выполняемыми одновременно и только в одном направлении.

Современные модули памяти RIMM работают не только с исходной частотой 800 МГц, но и с частотами 1 066 и 1 200 МГц и существуют как в одноканальных 16-разрядных, так и в многоканальных 32- и 64-разрядных версиях, пропускная способность которых превышает 9,6 Гбайт/с.

Один канал памяти Rambus может поддерживать до 32 отдельных устройств RDRAM (микросхем RDRAM), которые устанавливаются в модули RIMM (Rambus Inline Memory Modules). Вся работа с памятью организуется между контроллером памяти и отдельным (а не всеми) устройством. Микросхемы RDRAM устанавливаются в модули RIMM, и каждый канал данных обычно представлен тремя разъемами RIMM. Шина памяти RDRAM обеспечивает обмен данными между всеми устройствами и модулями, подключенными к шине, причем каждый модуль оснащен входными и выходными контактами, расположенными на противоположных друг другу сторонах платы. Следовательно, любые разъемы RDRAM, не содержащие модуль RIMM, требуют установки электропроводного непрерывного модуля для замыкания шины передачи данных. Сигналы, дошедшие до конечной области шины, ликвидируются системной платой.

Каждая микросхема RDRAM в модуле RIMM1600 управляет отдельным модулем, оснащенным 16-разрядным каналом данных. Кроме того, микросхемы RDRAM имеют внутреннее ядро со 128-разрядной шиной, разделенной на восемь 16-разрядных банков памяти, работающих на частоте 100 МГц. Другими словами, каждые 10 нс (100 МГц) каждая микросхема RDRAM может передать 16 байт данных в ядро и обратно. Широкий внутренний и узкий внешний высокоскоростные интерфейсы являются ключевой характеристикой памяти RDRAM.

Для повышения производительности было предложено еще одно конструктивное решение: передача управляющей информации отделена от передачи данных по шине. Для этого предусмотрены независимые схемы управления, а на адресной шине выделены две группы контактов: для команд выбора строки и столбца и для передачи информации по шине данных шириной 2 байта. Шина памяти работает на частоте 400 МГц; однако данные передаются по фронтам тактового сигнала, т.е. дважды в тактовом импульсе. Правая граница тактового импульса называется четным циклом, а левая -- нечетным. Синхронизация осуществляется с помощью передачи пакетов данных в начале четного цикла. Максимальное время ожидания составляет 2,5 нс.

Отношение между тактовым сигналом и циклами передачи данных показано на рис. 6.2. Пять полных циклов тактового сигнала соответствуют десяти циклам данных.

Архитектура RDRAM также поддерживает множественные чередующиеся транзакции, одновременно выполняемые в отдельных временных областях. Следовательно, передача данных может быть осуществлена до завершения предыдущей передачи.

Не менее важно то, что память RDRAM потребляет мало энергии. Напряжение питания модулей памяти RIMM, как и устройств RDRAM, достигает только 2,5 В. Напряжение низковольтного сигнала изменяется от 1,0 до 1,8 В, т.е. перепад напряжений равен 0,8 В. Кроме

Глава 3. Модули памяти

Процессор и архитектура системной платы (набора микросхем) определяют емкость физической памяти компьютера, а также типы и форму используемых модулей памяти. За прошедшие годы скорость передачи данных и быстродействие памяти значительно выросли. Скорость и разрядность памяти определяются процессором и схемой контроллера памяти. В современных компьютерах контроллер памяти включен в набор микросхем системной платы. В том случае, если система может физически поддерживать определенный объем памяти, типом программного обеспечения будут обусловлены более конкретные характеристики используемой памяти.

Объем физической памяти компьютера зависит от типа используемого процессора и архитектуры системной платы. В процессорах 8086 и 8088 с 20 линиями адреса объем памяти не превышает 1 Мбайт (1 024 Кбайт). Процессоры 286 и 386SX имеют 24 линии адреса и могут адресовать до 16 Мбайт памяти. Процессоры 386DX, 486, Pentium, Pentium MMX и Pentium Pro имеют 32 линии адреса и могут взаимодействовать с памятью объемом до 4 Гбайт. Процессоры Pentium II/III/4, а также AMD Athlon и Duron имеют 36 линий адреса и в состоянии обрабатывать 64 Гбайт. Новый процессор Itanium, с другой стороны, имеет 44-разрядную адресацию, что позволяет обрабатывать до 16 Тбайт (терабайт) физической памяти!

Режим эмуляции процессора 8088 микропроцессорами 286 и выше называется реальным режимом работы системы. Это единственно возможный режим процессоров 8088 и 8086 в компьютерах PC и XT. В реальном режиме все процессоры, даже всемогущий Pentium, могут адресовать только 1 Мбайт памяти, при этом 384 Кбайт зарезервировано для системных нужд. Полностью возможности адресации памяти процессоров 286 и последующих могут быть реализованы только в защищенном режиме.

Системы класса P5 могут адресовать до 4 Гбайт памяти, системы класса P6/P7 -- до 64 Гбайт. Если внедрить поддержку 64 Гбайт (65 536 Мбайт) памяти в современную систему, то ее стоимость достигла бы примерно 70 тыс. долларов! Более того, объем наибольших модулей памяти DIMM, существующих сегодня, равен 1 Гбайт. Поэтому для установки 64 Гбайт оперативной памяти потребуется системная плата, содержащая 64 разъема DIMM. Следует заметить, что в большинстве систем поддерживается только до четырех разъемов DIMM.

Хотя объемы памяти постоянно увеличиваются и современные модели системных плат поддерживают модули объемом до 2 Гбайт, основные ограничения накладываются набором микросхем и количеством разъемов для установки модулей памяти на системной плате. Большинство современных системных плат оснащены двумя-четырьмя разъемами, а значит, максимальный объем памяти ограничен 4-8 Гбайт. Подобные ограничения накладываются набором микросхем, а не процессором или модулями памяти. Некоторые процессоры способны адресовать до 64 Гбайт памяти, однако ни один набор микросхем на рынке не предоставляет подобной возможности!

3.1 Модули SIMM, DIMM и RIMM

Изначально оперативная системная память устанавливалась в виде отдельных микросхем, которые благодаря своей конструкции получили название микросхем с двухрядным расположением выводов (Dual Inline Package -- DIP). Системные платы оригинальных систем IBM XT и АТ содержали до 36 разъемов, предназначенных для подключения микросхем памяти. В дальнейшем микросхемы памяти устанавливались на отдельных платах, которые, в свою очередь, подключались в разъемы шины. Я до сих пор помню, сколько времени отнимала эта утомительная и однообразная работа.

Сегодня существует два основных типа модулей SIMM, три основных типа модулей DIMM и только один тип модулей RIMM. Все они используются в настольных системах. Типы модулей различаются количеством выводов, шириной строки памяти или типом используемой памяти.

К основным типам модулей SIMM относятся 30-контактный (8 бит плюс 1 дополнительный бит контроля четности) и 72-контактный (32 бит плюс 4 дополнительных бита контроля четности), обладающие различными свойствами; 30-контактный модуль SIMM имеет меньшие размеры, причем микросхемы памяти могут быть расположены как на одной стороне платы, так и на обеих. Модули SIMM широко использовались с конца 1980-х до конца 1990-х годов, однако сейчас их можно найти только в устаревших системах.

Как уже отмечалось, существует три типа модулей DIMM, которые обычно содержат стандартные микросхемы SDRAM или DDR SDRAM и отличаются друг от друга физическими характеристиками. Стандартный модуль DIMM имеет 168 выводов, по одному радиусному пазу с каждой стороны и два паза в области контакта. Модули DDR DIMM имеют 184 вывода, по два паза с каждой стороны и только один паз в области контакта. Модули DDR2 DIMM имеют 240 выводов, два разъема на правой и левой стороне модуля и один в центре контактной области модуля. Длина тракта данных модулей DIMM может быть 64 бит (без контроля четности) или 72 бит (с контролем четности или поддержкой кода коррекции ошибок ЕСС). На каждой стороне платы DIMM расположены различные выводы сигнала. Именно поэтому они называются модулями памяти с двухрядным расположением выводов. Эти модули примерно на один дюйм (25 мм) длиннее модулей SIMM, но благодаря своим свойствам содержат гораздо больше выводов.

Вид спереди 4,16 мм (0,164") макс.

2,00 мм (0,079") R (2x) Контакт 1 (контакт 93

Контакт 92 7 мм (0,054;) (контакт 184

Схема 2. Модуль RIMM (184-контактный)

Модули SIMM, DIMM, DDR/DDR2 DIMM и RIMM могут иметь различное быстродействие. Просмотрите документацию к системной плате, где указывается тип и скорость поддерживаемой оперативной памяти. Наилучшим вариантом будет память, скорость передачи данных которой (полоса пропускания) аналогична скорости шины процессора (FSB).

Если в систему требуется установить память с определенной частотой, то всегда можно воспользоваться модулем, частота которого выше необходимой величины. Следует заметить, что каких-либо проблем при использовании модулей памяти с разной частотой обычно не возникает. Разница в их стоимости невелика, поэтому я обычно покупаю модули памяти, частота которых выше, чем это необходимо для выполнения определенных приложений. Это позволяет использовать их при следующей модернизации системы.

Модули памяти DIMM и RIMM содержат встроенное ПЗУ (ROM), передающее параметры синхронизации и скорости модулей, поэтому рабочая частота контроллера памяти и шины памяти в большинстве систем соответствует наименьшей частоте установленных модулей DIMM/RIMM. Большинство модулей DIMM содержат микросхемы памяти SDRAM, т.е. передача данных происходит в виде высокоскоростных пакетов, использующих синхронизируемый интерфейс. В модулях DDR DIMM также используются микросхемы SDRAM, но передача данных выполняется дважды в течение одного такта, т.е. вдвое быстрее.

3.2 Регистровые модули

Существует три версии модулей SDRAM и DDR DIMM -- буферизированные, небуферизированные и регистровые. Буферизированный модуль памяти оснащен дополнительной цепью буферизации, размещенной между микросхемами памяти и контактными выводами, которая выравнивает или буферизирует передаваемые сигналы. Практически все системные платы, разработанные для использования памяти SDRAM или DDR, требуют установки не буферизированных или регистровых модулей. По сути, сложно найти компьютер, предназначенный для использования буферизированных модулей памяти. К таковым относились некоторые старые модели компьютеров Mac PowerPC, но не современные ПК. Таким образом, буферизированные модули не встречаются в продаже.

Большинство системных плат разработаны для поддержки не буферизированных модулей памяти, в которых сигналы контроллера памяти передаются без помех или интерференции непосредственно микросхемам памяти. Это наиболее дешевый, эффективный и быстродействующий тип модулей. К его недостаткам относится лишь то, что разработчик системной платы должен определить количество модулей (точнее, число разъемов на системной плате), установка которых допустима, а также ограничить количество микросхем памяти, внедренных на одном модуле. Установка так называемых двухсторонних модулей, на самом деле имеющих два банка микросхем памяти, в некоторых системах и при определенных условиях может быть невозможна.

Для реализации поддержки особенно большого объема RAM зачастую требуются регистровые модули. Эти модули созданы на основе архитектуры, в которой регистровые микросхемы выступают в качестве интерфейса между микросхемами RAM и набором микросхем системной логики. Регистровые микросхемы временно хранят данные, передаваемые как микросхемам памяти, так и от них, что позволяет обслужить намного больше микросхем RAM, чем обычно, а также установить на модуль больше микросхем, чем поддерживается набором микросхем системной логики. Благодаря регистровым модулям создаются системные платы, поддерживающие множество модулей памяти, каждый из которых содержит большее количество микросхем. Как правило, системные платы такого рода предназначены для серверов и рабочих станций, которым требуется более 2 Гбайт оперативной памяти. Однако первая версия процессора AMD Athlon 64 FX поддерживала только регистровую память, так как базировалась на архитектуре процессора AMD Opteron для рабочих станций и серверов. Последующие версии (ревизии) ядра Athlon FX уже поддерживают обычную, а не регистровую память.

Для обеспечения пространства для размещения микросхем буфера высота регистровых модулей DIMM увеличивается по сравнению со стандартными модулями DIMM. На рис. 6.9 для сравнения приведены типичные модули DIMM регистровой и небуферизированной памяти.

Модуль DIMM регистровой памяти

Модуль DIMM небуферизированной памяти. Регистровые модули DIMM часто оказываются выше стандартных модулей DIMM

Рис. 3. Модули памяти DIMM

В каждом модуле RIMM устанавливается микросхема Serial Presence Detect (SPD), которая представляет собой перезаписываемое постоянное запоминающее устройство. В нем хранится информация о размере и типе RIMM, включающая более подробные сведения для контроллера памяти. Контроллер считывает эту информацию и конфигурирует с ее помощью установленную память.

На рис. 6.13 показана схема установки модуля RIMM. Котроллер RDRAM и тактовый генератор обычно устанавливаются на системной плате и являются частью компонента системной логики North Bridge. Как видите, три модуля RIMM подключаются последовательно к контроллеру памяти. Каждый модуль содержит 4, 8 или 16 микросхем RDRAM, а также микросхему SPD. Каждый новый модуль RIMM необходимо подключать непосредственно за последним установленным. В каждый пустой разъем следует установить модуль согласования. Временные характеристики работы памяти накладывают ограничение на расстояние между первым разъемом RIMM и контроллером памяти на системной плате -- не более 6 дюймов (15 мм). Общая длина шины не должна превышать расстояние, которое сигнал пройдет за четыре такта (около 5 нс)

3.3 Определение объема и других характеристик модулей памяти

На большинстве модулей памяти есть наклейка с указанием таких сведений, как тип модуля, его быстродействие, объем и производитель. Если вам необходимо определить, можно ли использовать имеющийся в наличии модуль в новом компьютере или следует заменить модуль памяти в старом компьютере, сведения, представленные на наклейке, могут оказаться весьма полезными. На рис. 6.14 показана маркировка типичных модулей DDR объемом 512 Мбайт и 1 Гбайт производства Crucial Technologies.

Однако, даже если на модулях нет никаких наклеек, все необходимые характеристики модулей все равно можно узнать. Предположим, у вас есть модуль памяти, содержащий микросхемы со следующей маркировкой:

MT46V64M8TG-75.

Обратившись к любой поисковой системе, например Google, и задав маркировку микросхемы, можно получить все необходимые сведения. Рассмотрим пример. Предположим, у вас есть регистровый модуль и вам необходимо узнать шифр компонента (part number) для микросхем памяти (как правило, это восемь или большее количество микросхем), а не для микросхем буфера на модуле (от одной до трех микросхем, в зависимости от конкретного модуля). В настоящем случае мы имеем дело с микросхемой производства Micron, характеристики которой расшифровываются следующим образом:

MT -- Micron Technologies (производитель микросхем памяти);

46 -- DDR SDRAM;

V -- напряжение питания 2,5 В;

64M8 -- 8 млн. строк Ч 8 (равно 64) Ч 8 банков (часто задается в виде 64 Meg Ч 8); TG -- 66-контактная упаковка микросхемы TSOP; -75 -- 7,5 нс при задержке CL2 (DDR 266).



- объем модуля

- тип быстродействия модуля

-- временная задержка CAS

- шифр компонента Crucial Technology

Рис. 5. Маркировки модулей памяти DDR объемом 512 Мбайт (сверху) и 1 Гбайт (снизу) производства компании Crucial Technology.

3.4 Быстродействие памяти

При замене неисправного модуля или микросхемы памяти новый элемент должен быть того же типа, а его время доступа должно быть меньше или равно времени доступа заменяемого модуля. Таким образом, заменяющий элемент может иметь и более высокое быстродействие.

Обычно проблемы возникают при использовании микросхем или модулей, не удовлетворяющих определенным (не слишком многочисленным) требованиям, например к длительности циклов регенерации. Вы можете также столкнуться с несоответствием в разводках выводов, емкости, разрядности или конструкции. Время выборки (доступа) всегда может быть меньше, чем это необходимо (т.е. элемент может иметь более высокое быстродействие), при условии, конечно, что все остальные требования соблюдены.

При установке более быстродействующих модулей памяти производительность компьютера, как правило, не повышается, поскольку система обращается к ней с прежней частотой. Если память компьютера работает с предельным быстродействием, замена модулей может повысить его надежность.

Чтобы акцентировать внимание на проблемах синхронизации и надежности, Intel создала стандарт для высокоскоростных модулей памяти, работающих на частоте 100 и 133 МГц. Этот стандарт, называемый PC100 и PC133, поддерживается во многих наборах микросхем системной логики. Он устанавливает пределы синхронизации и время доступа для модулей памяти. Ведь при работе на частоте 100 МГц и выше допустимые отклонения в синхронизации памяти не очень велики.

При неполадках в памяти и ее недостаточном быстродействии возникают одни и те же проблемы (обычно появляются ошибки четности или компьютер перестает работать). Сообщения об ошибках могут возникать и при выполнении процедуры POST.

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

Ошибки при хранении информации в памяти неизбежны. Они обычно классифицируются как отказы и нерегулярные ошибки (сбои).

Если нормально функционирующая микросхема вследствие, например, физического повреждения начинает работать неправильно, то все происходящее и называется постоянным отказом. Чтобы устранить этот тип отказа, обычно требуется заменить некоторую часть аппаратных средств памяти, например неисправную микросхему SIMM или DIMM.

Другой, более коварный тип отказа -- нерегулярная ошибка (сбой). Это непостоянный отказ, который не происходит при повторении условий функционирования или через регулярные интервалы.

Приблизительно 20 лет назад сотрудники Intel установили, что причиной сбоев являются альфа-частицы. Поскольку альфа-частицы не могут проникнуть даже через тонкий лист бумаги, выяснилось, что их источником служит вещество, используемое в полупроводниках. При исследовании были обнаружены частицы тория и урана в пластмассовых и керамических корпусах микросхем, применявшихся в те годы. Изменив технологический процесс, производители памяти избавились от этих примесей.

В настоящее время производители памяти почти полностью устранили источники альфа-частиц. И многие стали думать, что проверка четности не нужна вовсе. Например, сбои в памяти емкостью 16 Мбайт из-за альфа-частиц случаются в среднем только один раз за 16 лет! Однако сбои памяти происходят значительно чаще.

Сегодня самая главная причина нерегулярных ошибок -- космические лучи. Поскольку они имеют очень большую проникающую способность, от них практически нельзя защититься с помощью экранирования.

Эксперимент, проверяющий степень влияния космических лучей на появление ошибок в работе микросхем, показал, что соотношение “сигнал-ошибка” (signal-to-error ratio -- SER) для некоторых модулей DRAM составило 5 950 единиц интенсивности отказов (failure units -- FU) на миллиард часов наработки для каждой микросхемы. Измерения проводились в условиях, приближенных к реальной жизни, с учетом длительности в несколько миллионов машино-часов. В среднестатистическом компьютере это означало бы появление программной ошибки памяти примерно каждые шесть месяцев. В серверных системах или мощных рабочих станциях с большим объемом установленной оперативной памяти подобная статистика указывает на одну ошибку (или даже более) в работе памяти каждый месяц! Когда тестовая система с теми же модулями DIMM была размещена в надежном убежище на глубине более 15 метров каменной породы, что полностью устраняет влияние космических лучей, программные ошибки в работе памяти вообще не были зафиксированы. Эксперимент продемонстрировал не только опасность влияния космических лучей, но и доказал, насколько эффективно устранять влияние альфа-лучей и радиоактивных примесей в оболочках модулей памяти.

К сожалению, производители ПК не признали это причиной погрешностей памяти; случайную природу сбоя намного легче оправдать разрядом электростатического электричества, большими выбросами мощности или неустойчивой работой программного обеспечения (например, использованием новой версии операционной системы или большой прикладной программы).

Исследования показали, что для систем ECC доля программных ошибок в 30 раз больше, чем аппаратных. Это неудивительно, учитывая вредное влияние космических лучей. Количество ошибок зависит от числа установленных модулей памяти и их объема. Программные ошибки могут случаться и раз в месяц, и несколько раз в неделю, и даже чаще!

Хотя космические лучи и радиация являются причиной большинства программных ошибок памяти, существуют и другие факторы.

Скачки в энергопотреблении или шум на линии. Причиной может быть неисправный блок питания или настенная розетка.

Использование неверного типа или параметра быстродействия памяти. Тип памяти должен поддерживаться конкретным набором микросхем и обладать определенной этим набором скоростью доступа.

Радиочастотная интерференция. Связана с расположением радиопередатчиков рядом с компьютером, что иногда приводит к генерированию паразитных электрических сигналов в монтажных соединениях и схемах компьютера. Имейте в виду, что беспроводные сети, мыши и клавиатуры увеличивают риск появления радиочастотной интерференции.

Статические разряды. Вызывают моментальные скачки в энергоснабжении, что может повлиять на целостность данных.

Ошибки синхронизации. Не поступившие своевременно данные могут стать причиной появления программных ошибок. Зачастую причина заключается в неверных параметрах BIOS, оперативной памяти, быстродействие которой ниже, чем требуется системой, “разогнанных” процессорах и прочих системных компонентах.

Тепловыделение. Скоростные модули памяти характеризуются более высокими рабочими температурами, чем модули устаревших типов. Первыми модулями, оснащенными теплорассеивателями, оказались модули RDRAM RIMM; сейчас теплорассеивателями оснащены многие производительные модули DDR и DDR2, так как это единственный способ борьбы с повышенным уровнем тепловыделения.

Большинство описанных проблем не приводят к прекращению работы микросхем памяти (хотя некачественное энергоснабжение или статическое электричество могут физически повредить микросхемы), однако могут повлиять на хранимые данные.

Игнорирование сбоев, конечно, не лучший способ борьбы с ними. К сожалению, именно этот способ сегодня выбрали многие производители компьютеров. Лучше было бы повысить отказоустойчивость систем. Для этого необходимы механизмы определения и, возможно, исправления ошибок в памяти ПК. В основном для повышения отказоустойчивости в современных компьютерах применяются следующие методы:

контроль четности;

коды коррекции ошибок (ECC).

Системы без контроля четности вообще не обеспечивают отказоустойчивости данных. Единственная причина, по которой они используются, -- их минимальная базовая стоимость. При этом, в отличие от других технологий, не требуется дополнительная оперативная память. Байт данных с контролем четности включает в себя 9, а не 8 бит, поэтому стоимость памяти с контролем четности выше примерно на 12,5%. Кроме того, контроллеры памяти, не требующие логических мостов для подсчета данных четности или ECC, обладают упрощенной внутренней архитектурой. Портативные системы, для которых вопрос минимального энергопотребления особенно важен, выигрывают от уменьшенного энергопотребления памяти благодаря использованию меньшего количества микросхем DRAM. И наконец, шина данных памяти без контроля четности имеет меньшую разрядность, что выражается в сокращении количества буферов данных. Статистическая вероятность возникновения ошибок памяти в современных настольных компьютерах составляет примерно одну ошибку в несколько месяцев. При этом количество ошибок зависит от объема и типа используемой памяти.

Подобный уровень ошибок может быть приемлемым для обычных компьютеров, не используемых для работы с важными приложениями. В этом случае цена играет основную роль, а дополнительная стоимость модулей памяти с поддержкой контроля четности и кода ECC себя не оправдывает.

Применение неотказоустойчивых компьютеров рискованно и предполагает отсутствие ошибок памяти при эксплуатации систем. При этом также учитывается, что совокупная стоимость потерь, вызванная ошибками в работе памяти, будет меньше, чем затраты на приобретение дополнительных аппаратных устройств для определения таких ошибок. Тем не менее ошибки памяти вполне могут стать причиной серьезных проблем: например, представьте себе указание неверного значения суммы в банковском чеке. Ошибки в работе оперативной памяти серверных систем зачастую приводят к “зависанию” последних и отключению всех клиентских компьютеров, соединенных с серверами по локальной сети. Наконец, отследить причину возникновения проблем в компьютерах, не поддерживающих контроль четности или ECC, крайне сложно. Последние технологии по крайней мере однозначно укажут на оперативную память как на источник проблемы, тем самым экономя время и усилия системных администраторов.

4.1 Контроль четности

Это один из стандартов, введенных IBM, в соответствии с которым информация в банках памяти хранится фрагментами по 9 бит, причем восемь из них (составляющих один байт) предназначены собственно для данных, а девятый является битом четности (parity). Использование девятого бита позволяет схемам управления памятью на аппаратном уровне контролировать целостность каждого байта данных. Если обнаруживается ошибка, работа компьютера останавливается и на экран выводится сообщение о неисправности. Если вы работаете на компьютере под управлением Windows или OS/2, то при возникновении ошибки контроля четности сообщение, возможно, не появится, а просто произойдет блокировка системы.

Модули SIMM и DIMM поставляются как с поддержкой битов четности, так и без нее. Первые ПК использовали память с контролем четности для регулировки точности осуществляемых операций. Начиная с 1994 года на рынке ПК стала развиваться тревожная тенденция. Большинство компаний начали предлагать компьютеры с памятью без контроля четности и вообще каких-либо средств определения или исправления ошибок. Применение модулей SIMM без контроля четности сокращало стоимость памяти на 10-15%. В свою очередь, память с контролем четности обходилась дороже за счет применения дополнительных битов четности. Технология контроля четности не позволяет исправлять системные ошибки, однако дает возможность их обнаружить пользователю компьютера, что имеет следующие преимущества:

контроль четности оберегает от последствий проведения неверных вычислений на базе некорректных данных;

контроль четности точно указывает на источник возникновения ошибок, помогая разобраться с проблемой и улучшая степень эксплутационной надежности компьютера.

Для реализации поддержки памяти с контролем четности или без него не требуется особых усилий. В частности, внедрить поддержку контроля четности для системной платы не составит труда. Основная стоимость внедрения относится к цене самих модулей памяти с контролем четности. Если покупатели нуждаются в контроле четности для работы с определенными приложениями, поставщики компьютеров могут без проблем предложить соответствующие системы.

С тех пор Intel и прочие производители наборов микросхем системной логики внедрили поддержку контроля четности и ECC в большинстве своих продуктов (особенно в наборах микросхем, ориентированных на рынок высокопроизводительных серверов). В то же время наборы микросхем низшей ценовой категории, как правило, не поддерживают этих технологий. Пользователям, требовательным к надежности выполняемых приложений, следует обращать особое внимание на поддержку контроля четности и ECC.

Далее рассматривается принцип выполнения контроля четности и ECC, который позволяет не только обнаруживать, но и автоматически корректировать ошибки памяти.

4.2 Схема проверки четности

При разработке схемы контроля четности IBM установила, что значение бита четности задается таким, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах (восемь разрядов данных и разряд четности) было нечетным. Другими словами, когда байт (8 бит) данных заносится в память, специальная схема контроля четности (микросхема, установленная на системной плате или на плате памяти) подсчитывает количество единиц в байте. Если оно четное, на выходе микросхемы формируется сигнал логической единицы, который сохраняется в соответствующем разряде памяти как девятый бит (бит четности). Количество единиц во всех девяти

разрядах при этом становится нечетным. Если же количество единиц в восьми разрядах исходных данных нечетное, то бит четности равен 0 и сумма двоичных цифр в девяти разрядах также остается нечетной.

Рассмотрим конкретный пример (имейте в виду, что разряды в байте нумеруются начиная с нуля, т.е. 0, 1, 2, ..., 7).

Разряд данных: 0 1 2 3 4 5 6 7 Бит четности Значение бита: 1 0 1 1 0 0 1 1 0

В данном случае общее число единичных битов данных нечетное (5), поэтому бит четности должен быть равен нулю, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах было нечетным. Рассмотрим еще один пример.

Разряд данных: 0 1 2 3 4 5 6 7 Бит четности Значение бита: 0 0 1 1 0 0 1 1 1

В этом примере общее число единичных битов данных четное (4), поэтому бит четности должен быть равен единице, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах, как и в предыдущем примере, было нечетным.

При считывании из памяти та же самая микросхема проверяет информацию на четность. Если в 9-разрядном байте число единиц четное и бит четности также равен единице, значит, при считывании или записи данных произошла ошибка. Определить, в каком разряде она произошла, невозможно (нельзя даже выяснить количество испорченных разрядов). Более того, если сбой произошел в трех разрядах (в нечетном их количестве), то ошибка будет зафиксирована; однако при двух ошибочных разрядах (или четном их количестве) сбой не регистрируется. Сообщения об ошибках четности имеют следующий вид:

В компьютере IBM PC: PARITY СНЕСК х

В компьютере IBM XT: PARITY СНЕСК х yyyyy (z)

В компьютере IBM PC и последних моделях XT: PARITY СНЕСК х yyyyy

Здесь x может принимать значения 1 (ошибка произошла на системной плате) или 2 (ошибка произошла в разъеме расширения). Символы yyyyy -- это шестнадцатеричное число от 00000 до FFFFF, указывающее адрес байта, в котором произошла ошибка. Символ z может принимать значение S (ошибка четности в системном блоке) или e (ошибка четности в корпусе-расширителе).

При обнаружении ошибки схема контроля четности на системной плате формирует немаскируемое прерывание (Non-maskable Interrupt -- NMI), по которому основная работа прекращается и инициируется специальная процедура, записанная в BIOS. В результате ее выполнения экран очищается и в левом верхнем углу выводится сообщение об ошибке. Текст сообщения зависит от типа компьютера. В некоторых старых компьютерах IBM при выполнении указанной процедуры приостанавливается работа процессора, компьютер блокируется и пользователю приходится перезапускать его с помощью кнопки сброса или выключать и через некоторое время вновь включать питание. При этом, естественно, теряется вся несохра-ненная информация. (Немаскируемое прерывание -- это системное предупреждение, которое программы не могут проигнорировать.)

В большинстве компьютеров в случае ошибки четности процессор не зависает и пользователю предоставляется возможность либо перезагрузить компьютер, либо продолжить работу как будто ничего не случилось. В подобных системах сообщение об ошибке может выглядеть иначе, чем в компьютерах IBM, хотя общий его смысл, конечно, остается прежним. Например, во многих компьютерах с BIOS компании Phoenix выводится сообщение Memory parity interrupt at xxxx:xxxx Type (S)hut off NMI, Type (R)eboot, other keys to continue

или

I/O card parity interrupt at xxxx:xxxx Type (S)hut off NMI, Type (R)eboot, other keys to continue

Первое появляется при ошибке четности на системной плате (Parity Check 1), а второе -- при ошибке четности в слоте расширения (Parity Check 2). Обратите внимание, что адрес памяти хххх: хххх выводится в формате [сегмент]:[смещение], а не в линейном виде, как в компьютерах IBM. Но в любом случае местоположение байта с ошибкой определяется однозначно.

После просмотра сообщения об ошибке возможны следующие варианты действий:

нажмите клавишу <S>, чтобы выключить контроль четности и восстановить работу системы с момента первой проверки четности;

нажмите клавишу <R> для перезагрузки компьютера с потерей всех несохраненных данных;

нажмите любую клавишу для восстановления предыдущих параметров системы без отключения контроля четности.

Если ошибка “хроническая”, скорее всего, в ближайшее время произойдет следующее прерывание, вызванное контролем четности. Как правило, лучше всего нажать клавишу <S>, отключив контроль четности, что позволит сохранить информацию. Запишите нужную информацию на дискету, чтобы случайно не испортить жесткий диск. Не удаляйте старую версию сохраняемого файла (пока еще хорошую), так как при сбоях памяти новая сохраненная информация может быть испорчена. Поскольку контроль четности отключен, операции сохранения будут выполнены без прерываний. После этого выключите компьютер, включите его снова и запустите программу диагностики памяти для выяснения причины ошибки. Иногда ошибка обнаруживается процедурой POST непосредственно при загрузке, но чаще приходится использовать более сложные диагностические программы.

Базовая система ввода-вывода компании AMI выводит следующие сообщения об ошибках четности:

ON BOARD PARITY CHECK ADDR (HEX) = (xxxxx) или

OFF BOARD PARITY CHECK ADDR (HEX) = (xxxxx)

Эти сообщения означают, что при выполнении процедуры POST обнаружена ошибка по указанному адресу памяти. Первое сообщение появляется при ошибке на системной плате, второе -- при ошибке на плате адаптера в слоте расширения. AMI BIOS может выдавать также сообщения об ошибках в памяти:

Memory parity error at xxxxx

или

I/O card parity error at xxxxx

Эти сообщения появляются при возникновении ошибок в процессе работы (а не при выполнении процедуры POST); первое относится к памяти на системной плате, второе -- к памяти на плате адаптера в разъеме расширения.

Несмотря на то что во многих системах при появлении ошибки четности работу можно продолжать (вы даже можете отключить ее дальнейший контроль), игнорировать неисправность опасно. Указанная возможность нужна лишь для того, чтобы вы могли сохранить информацию, а затем выполнить диагностику и отремонтировать компьютер.

4.3 Код коррекции ошибок

Коды коррекции ошибок (Error Correcting Code -- ECC) позволяют не только обнаружить ошибку, но и исправить ее в одном разряде. Поэтому компьютер, в котором используются подобные коды, в случае ошибки в одном разряде может работать без прерывания, причем данные не будут искажены. Коды коррекции ошибок в большинстве ПК позволяют только обнаруживать, но не исправлять ошибки в двух разрядах. Но приблизительно 98% сбоев памяти вызвано именно ошибкой в одном разряде, т.е. она успешно исправляется с помощью данного типа кодов. Данный тип ECC получил название SEC-DED (single-bit error-correction double-bit error detection -- одноразрядная коррекция, двухразрядное обнаружение ошибок). В кодах коррекции ошибок этого типа для каждых 32 бит требуется дополнительно семь контрольных разрядов при 4-байтовой и восемь -- при 8-байтовой организации (64-разрядные процессоры Athlon/ Pentium). Реализация кода коррекции ошибок при 4-байтовой организации, очевидно, дороже реализации проверки нечетности или четности, но при 8-байтовой организации стоимость реализации кода коррекции ошибок не превышает стоимости реализации проверки четности.

Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. При чтении из памяти такой контроллер сравнивает прочитанные и вычисленные значения контрольных разрядов и при необходимости исправляет испорченный бит (или биты). Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но это может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ждать, когда завершится вычисление контрольных разрядов. При записи части слова вначале следует прочитать полное слово, затем перезаписать изменяемые байты и только после этого -- новые вычисленные контрольные разряды.

В большинстве случаев сбой памяти происходит в одном разряде, и потому такие ошибки успешно исправляются кодом коррекции ошибок. Использование отказоустойчивой памятиобеспечивает высокую надежность компьютера. Память с кодом ECC предназначена для серверов, рабочих станций или приложений, для которых последствия потенциальных ошибокпамяти менее желательны, чем дополнительные затраты на приобретение добавочных моду лей памяти и вычислительные затраты на коррекцию ошибок. Если данные имеют особое значение и компьютеры применяются для решения важных задач, без памяти ECC не обойтись. По сути, ни один уважающий себя системный инженер не будет использовать сервер, даже самый неприхотливый, без памяти ECC.

Пользователи имеют выбор между системами без контроля четности, с контролем четности и с ECC, т.е. между желательным уровнем отказоустойчивости компьютера и степенью ценности используемых данных.

4.4 Стратегия модернизации

Добавление памяти -- сравнительно недорогая операция. Кроме того, даже незначительное увеличение памяти может существенно повысить производительность компьютера. Каким образом можно добавить память в ПК? Для этого существует два способа.

Добавление памяти в свободные разъемы системной платы.

Замена установленной памяти памятью большего объема.

Если вы приняли решение о модернизации системы или системной платы, вряд ли можно рассчитывать на то, что вам удастся использовать модули из старой системы. Лучшее решение -- приобретение новой системной платы вместе с наиболее подходящими поддерживаемыми модулями памяти.

Обдумайте ваши будущие потребности в вычислительной мощности и многозадачности операционной системы (OS/2, Windows 9x/NT/2000 или Linux), а также убедитесь, что они стоят средств, затраченных на модернизацию.

Чтобы выяснить необходимость в увеличении объема памяти, воспользуйтесь средством Performance Monitor (Производительность) (Perfmon.msc), поставляемым в составе Windows 2000 и Windows XP. Его можно запустить удаленно или же с помощью консоли. Чтобы получить сведения об использовании памяти, выберите значение Memory (Память) в качестве объекта производительности, после чего активизируйте несколько счетчиков.

Pages/Sec (Обмен страниц в секундах). Этот счетчик измеряет количество обращений системы к виртуальной (вместо физической) памяти, т.е. к файлу подкачки, в секунду. Значение больше 20 указывает на потенциальную проблему. Проверьте настройки виртуальной памяти; если значение счетчика все равно будет превышать 20, увеличьте объем памяти, установленной в системе.

Committed Bytes (Байт выделенной виртуальной памяти) и Available Bytes (Доступно байт). Счетчик Committed Bytes ведет учет используемой виртуальной памяти; счетчик Available Bytes ведет учет доступной физической памяти. Если значение счетчика Available Bytes низкое, увеличьте объем памяти, установленной в системе.

Cache Bytes (Байт кэш-памяти). Этот счетчик измеряет объем ОЗУ, используемой в качестве кэша файловой системы. Если это значение превышает 4 Мбайт, увеличьте объем памяти, установленной в системе.

Прежде чем увеличивать объем памяти ОЗУ в системе (или просто заменять поврежденный или сбойный модуль памяти), следует определить, модули какого типа вам необходимы. Соответствующие сведения доступны в документации к вашей компьютерной системе.

Если у вас возникла необходимость заменить сбойный модуль или же увеличить объем памяти в системе, существует несколько способов определить необходимый тип модулей.

Внимательно рассмотримте модули, уже установленные в системе. На каждом модуле наверняка есть наклейка, содержащая все необходимые сведения. Подробно данные вопросы рассматривались ранее в главе. Можете записать маркировку модуля памяти и использовать эти данные для определения необходимого типа модуля.

Проверьте систему с помощью утилиты конфигурирования памяти, предоставленной предпочитаемым вами производителем. Как правило, подобные утилиты доступны пользователям компьютерных систем от ведущих производителей. В настоящее время в базах данных подобных утилит доступны сведения о системных платах и модулях памяти от различных производителей. Таким образом, если вам известна марка и модель системной платы, не составит ни малейшего труда определить рекомендуемую память.

Загрузите и запустите диагностическое ПО от производителя памяти или сторонней компании. В качестве примера такой программы, которая получает все необходимые сведения о модуле из микросхемы SPD, можно привести SiSoftware Sandra.

Обратитесь к документации, которая прилагалась к компьютеру. Я не случайно расположил этот пункт в конце списка. Если вы обновили системную BIOS, то, скорее всего, сможете использовать модули большего объема и порой с большим быстродействием, чем приведенные в документации. На Web-сайте производителя всегда доступна обновленная документация по сравнению с той, которая поставляется в печатном виде вместе с компьютером. Если в документации не упоминается модуль памяти, который привлек ваше внимание, посетите Web-сайт производителя системной платы, чтобы узнать, доступна ли обновленная версия BIOS, в которой добавлена поддержка подобных модулей.

Установка в системе несовместимых модулей памяти может вызвать не меньше проблем, чем наличие в системе сбойного модуля.

Глава 5. Логическая организация памяти

Адресное пространство первого ПК составляло всего 1 Мбайт, верхние 384 Кбайт которого были зарезервированы для использования самой системой. Размещение зарезервированного пространства в верхней области (между 640 Кбайт и 1 Мбайт) вместо использования нижней области памяти (между 0 и 384 Кбайт) привело к появлению так называемого барьера основной памяти. Постоянная необходимость достижения совместимости системы и периферийного оборудования и сегодня не всегда позволяет разработчикам отступать от стандартной конфигурации первого ПК. Вот почему вопросы распределения памяти в современных персональных компьютерах так и остались запутанными. Несмотря на то что со времени появления первого ПК прошло более 20 лет, в системах с процессором Pentium 4 по-прежнему используется то же распределение памяти, что и в первых компьютерах.

Эволюция работы процессоров с памятью, а также средства управления памятью в Windows 9х, Windows NT/2000, Windows XP, Linux, OS/2 и UNIX описываются в специальной литературе по этим операционным системам.

Основная проблема заключается в том, что 32-разрядные процессоры имеют два различных рабочих режима с отличающейся архитектурой памяти. Для обеспечения обратной совместимости 32-разрядные процессоры могут функционировать в реальном режиме, в котором работает лишь 16-разрядное программное обеспечение, имеющее доступ исключительно к первому мегабайту из 16, в зависимости от структуры той или иной программы. Например, 16-разрядные драйверы загружаются только в первый мегабайт памяти и лишь к нему имеют доступ. Кроме того, ROM BIOS, включая программу POST, конфигурацию BIOS, загрузочный код и все внутренние драйверы, представляют собой 16-разрядные приложения. Суть в том, что все Intel-совместимые процессоры при включении запускаются в 16-разрядном реальном режиме. После загрузки 32-разрядной операционной системы управляющий системный код указывает процессору на переключение в 32-разрядный защищенный режим.

К сожалению, проблема защищенного режима видна непосредственно из его названия. В этом режиме только программным драйверам разрешено прямо обращаться к аппаратному обеспечению. Программам, загружаемым операционной системой (например, после щелчка мышью на пиктограмме приложения Windows), запрещено прямо взаимодействовать с оперативной памятью или аппаратными компонентами компьютера. Сделано это с целью предотвратить нарушение работы компьютера одиночными программами. При появлении подобных проблем на экран будет выведено соответствующее предупреждение и работа программы будет завершена.

Структура диагностических программ требует прямого доступа к аппаратному обеспечению. Таким образом, полноценная диагностика операционных систем, работающих в защищенном режиме (Windows 9x, NT, 2000, XP, Linux и т.д.), будет затруднена. Для проведения тестирования обычно требуется загрузить систему с дискеты DOS или прервать загрузку Windows (нажав кнопку <F8> при появлении на экране загрузки надписи “Starting Windows…”) и выбрать опцию Command Prompt Only для загрузки DOS. В Windows 9x (но не Me) можно выбрать перезагрузку компьютера в режиме MS DOS. Многие диагностические программы аппаратного обеспечения включают в себя собственные специальные версии 16-разрядных операционных систем, необходимые для доступа к нужным областям памяти. В Windows 2000 и Windows XP можно отформатировать гибкий диск для использования загрузочных файлов MS DOS с помощью программы Format (откройте окно Мой компьютер (My Computer), щелкните правой кнопкой мыши на пиктограмме дисковода и выберите в контекстном меню команду Форматирование (Format)).

Например, при использовании загрузочного диска Windows 9x будет запущена 16-разрядная DOS, причем для доступа к дисководу CD-ROM в целях загрузки Windows понадобится 16-разрядный драйвер с того же загрузочного диска. Версии OEM операционной системы Windows 98, все версии Windows Me и более новые поставляются на загрузочных компакт-дисках. Если система поддерживает загрузку с компакт-диска, укажите данный тип загрузки в BIOS, что позволит обойтись без гибкого диска.