ДОПОВІДЬ НА ТЕМУ:

«ОПЕРАТИВНА ПАМ'ЯТЬ. БУДОВА І ПРИНЦИПИ ЇЇ ФУНКЦІОНУВАННЯ»

ЗМІСТ

Вступ

1. Схема взаємодії оперативної пам'яті з ЦП. Будова і принципи функціонування оперативної пам'яті.

2. Характеристики пам'яті DRAM

3. Типи пам’яті DRAM

4. Порівняльна характеристика DDR2 та DDR3

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

Оперативна пам’ять - набір мікросхем, призначених для зберігання даних під час їх безпосереднього опрацювання. Оперативна пам’ять потрібна комп’ютеру так само, як і процесор. Без ОЗП процесор не зможе працювати. В оперативну пам’ять він записує і зчитує з неї дані, необхідні йому для здійснення тих чи інших операцій. Коли потрібен швидкий доступ до даних, працювати безпосередньо з жорстким диском чи SSD процесор не може в першу чергу через дуже низьку швидкість їх роботи.

Чим швидша оперативна пам’ять, тим краще. Швидкість пам’яті визначається частотою її шини, яка залежить від типу пам’яті.

Крім швидкості роботи, важливою характеристикою оперативної пам’яті є також її об'єм, який повинен відповідати колу завдань, що вирішуються за допомогою комп’ютера, а також встановленому на ньому програмному забезпеченню. Наприклад, офісному комп’ютеру з операційною системою Windows XP для роботи з текстом, перегляду сторінок Інтернету та здійснення інших нескладних операцій цілком достатньо навіть 512 MB оперативної пам’яті. Якщо на комп’ютері буде встановлена операційна система Windows7, для вирішення тих же завдань потрібно буде вже як мінімум 1024 MB ОЗУ, оскільки сама Windows7 вимагає більше пам’яті. Якщо в системі буде недостатньо пам’яті, то при запуску ресурсомістких програм вільна пам’ять може закінчитися. У цьому випадку комп’ютер для її розширення буде використовувати частину жорсткого диска або SSD (так званий файл підкачки або swap-файл, спеціально зарезервований операційною системою). Враховуючи, що швидкість доступу до даних на жорсткому диску в сотні разів нижче швидкості доступу до оперативної пам’яті, швидкодія комп’ютера в таких випадках сильно падає, на системному блоці постійно горить індикатор зайнятості жорсткого диску і чути характерний тріск його напруженої роботи.

Оперативна пам’ять (Random Access Memory або RAM) — це пям’ять, яка потрібна в першу чергу комп’ютеру. Дана пам’ять дає ком’пютеру змогу дуже швидко записувати та зчитувати данні. Ця пам’ять, на відміну від вінчестера, є повністю енергозалежною, тобто данні в ній зберігаються лише при умові, що комп’ютер ввімкнений. У ній комп’ютер зберігає тимчасово потрібні для нього файли, математичні розрахунки і взагалі, все те, що йому «заманеться».

1.     Схема взаємодії оперативної пам'яті з ЦП. Будова і принципи функціонування оперативної пам'яті.

Оперативна пам'ять персональних комп'ютерів сьогодні, як і десять років тому, будується на базі відносно недорогий динамічної пам'яті - DRAM (Dynamic Random Access Memory). Безліч поколінь інтерфейсної логіки, змінилося за цей час. Еволюція носила яскраво виражений спадкоємний характер - кожне нове покоління пам'яті практично повністю наслідувало архітектуру попереднього, включаючи, в тому числі, і властиві йому обмеження. Ядро ж пам'яті (за винятком вдосконалення проектних норм таких, наприклад, як ступінь інтеграції) і зовсім не зазнавало жодних принципових змін. Навіть "революційний" Rambus Direct RDRAM нічого справжнього революційного в собі не містить і добре вписується в загальне "генеалогічне" древо розвитку пам'яті. 

Тому, пристрій і принципи функціонування оперативної пам'яті краще всього вивчати від самих старих моделей пам'яті до найсучасніших розробок. 

Ядро мікросхеми динамічної пам'яті складається з безлічі осередків, кожна з яких зберігає всього один біт інформації. На фізичному рівні осередки об'єднуються в прямокутну матрицю, горизонтальні лінійки якої називаються рядками (ROW), а вертикальні - стовпчиками (Column) чи сторінками (Page).

Лінійки представляють собою звичайні провідники, на перетині яких знаходиться осередку - нескладний пристрій, що складається з одного транзистора і одного конденсатора.

Конденсатору відводиться роль безпосереднього зберігача інформації. Обсяг, якого складає - всього один біт. Відсутність заряду на обкладинках відповідає логічному нулю, а його наявність - логічної одиниці. Транзистор ж грає роль "ключа", який утримує конденсатор від розряду. У спокійному стані транзистор закритий, але, варто подати на відповідний рядокматриці електричний сигнал, він відкриється, з'єднуючи обкладку конденсатора з відповідним їй стовпцем.

Чутливий підсилювач (sense amp), підключений до кожного з стовпців матриці, реагуючи на слабкий потік електронів, і подався через відкриті транзистори з обкладок конденсаторів, зчитує всю сторінку цілком. Саме сторінка є мінімальною порцією обміну з ядром динамічної пам'яті. Читання / запис окремо взятої комірки неможливо! Дійсно, відкриття одного рядка призводить до відкриття всіх, підключених до неї транзисторів, а, отже, - розряду закріплених за цими транзисторами конденсаторів.

Читання осередку деструктивно за своєю природою, оскільки sense amp (чутливий підсилювач) розряджає конденсатор в процесі зчитування його заряду. Завдяки цьому динамічна пам'ять є пам'ять разової дії. Для боротьби з втрати пам'яті вдаються до її регенерації - періодичному зчитування осередків з подальшою перезаписом. Залежно від конструктивних особливостей регенератор може перебувати як в контролері, так і в самій мікросхемі пам'яті. У сучасних модулях пам'яті регенератор найчастіше вбудовується всередину самої мікросхеми, причому перед регенерацією вміст оновлюваної рядка копіюється в спеціальний буфер, що запобігає блокування доступу до інформації.

2.     Характеристики пам'яті DRAM

Основними характеристиками DRAM є таймінг та робоча частота. Для звернення до комірок контролер задає номер банку, номер сторінки в ньому, номер стрічки та номер стовпчика. На ці всі запити використовується час. Крім того доволі великий період йде на відкриття та закриття самого банку після виконання операції. На кожну дію вимагається час, який називається таймінгом.  Основними таймінгами DRAM є: затримка між подачею номеру стрічки і номера стовпчика, називається часом повного доступу (англ. RAS to CAS delay), затримка між подачею номеру стовпчика і отримання вмісту комірки, називається часом робочого циклу (англ. CAS delay), затримка між читанням останньої комірки та подачою номеру наступної стрічки (англ. RAS precharge). Таймінги вимірюються в наносекундах, і чим менша величина цих таймінгів, тим швидше працює оперативна пам'ять. Робоча частота вимірюється в мегагерцах, і збільшення робочої частоти пам'яті призводить до збільшення її швидкодії. На відміну від статичної пам'яті типу SRAM, яка є конструктивно складнішим і дорожчим типом пам'яті RAM та використовується в основному для кеш-пам'яті, пам'ять DRAM виготовлюється на основі конденсаторів невеликої ємності, які швидко втрачають заряд, тому інформацію приходиться оновлювати через певні проміжки часу щоб уникнути втрати даних. Цей процес називається регенерацією пам'яті. Реалізовується спеціальним мікроконтролером, встановленим на материнській платі, або інтегрованому в кристал центрального процесора. Протягом певного часу, який називається крок регенерації, в DRAM перезаписується ціла стрічка комірок, і через кожні 8-64 мс оновлюються всі стрічки пам'яті.

Регенерація, яка основана на принципі перебору стрічок не використовується в сучасних типах DRAM. Існують декілька економічніших варіантів даного процесу - розширений, пакетний, розподільчий; найекономічнішим є метод прихованої регенерації.

3.     Типи пам’яті DRAM

Протягом тривалого часу розробниками створювалися різноманітні типи пам'яті. Вони характеризувалися різними параметрами, і в них використовувалися різні технічні рішення. Основною рушійною силою розвитку пам'яті був розвиток комп'ютерів та центральних процесорів. Постійно вимагалося збільшення швидкодії та обсягу оперативної пам'яті.

Асинхронна DRAM

Вона є основною формою, з якої походять всі інші. Асинхронний чіп DRAM має лінії живлення, деяку кількість вхідних адресацій (зазвичай 12), і кілька (як правило, 1 або 4) двонаправлених ліній даних. 

Video RAM

Спеціальний тип оперативної пам'яті Video RAM (VRAM) був розроблений на основі пам'яті типу SDRAM для використання у відеокартках (розробки велися Ф. Діллом (F. Dill) і Р. Матіком (R. Matick) починаючи з 1980 року, а запатентували в 1985 (Патент США 4,541,075)). Він дозволяв забезпечувати неперервний потік даних в процесі оновлення зображення, що було необхідно для реалізації зображення високої якості. На основі пам'яті типу VRAM, з'явилася специфікація пам'яті типу Windows RAM (WRAM), хоча іноді її помилково пов'язують із операційними системами сімейства Windows. Її продуктивність стала на 25% вище, ніж у оригінальної пам'яті типу SDRAM, завдяки деяким технічним змінам.

Але пізніше, вже в 1990-х стандартна пам'ять DRAM (тобто SDRAM) стала дешевшою, щільнішою та високопродуктивнішою настільки, що витіснила VRAM.

Пам'ять із вдосконаленим виходом

Із появою процесорів Intel Pentium II пам'ять FPM DRAM виявилася зовсім неефективною. Тому наступним кроком стала пам'ять із вдосконаленим виходом (англ. extended data out DRAM, EDO DRAM). Ця пам'ять з'явилася на ринку в 1996 році і стала активно використовуватися на комп'ютерах із процесорами Intel Pentium і новіше. Її продуктивність виявилася на 10-15% вище в порівнянні із пам'яттю типу FPM DRAM. Її робочі частоти були 40 МГц і 50 МГц, відповідно і час повного доступу — 25 нс і 20 нс. Ця пам'ять містить регістр-застібку (англ. data latch) вихідних даних, що забезпечувало деяку конвеєризацію роботи для підвищення продуктивності при читанні.

Синхронна DRAM

В зв'язку з випуском нових процесорів і поступовим збільшенням частоти системної шини, стабільність роботи пам'яті типу EDO DRAM стала помітно падати. Їй на зміну прийшла синхрона пам'ять (англ.synchronous DRAM, SDRAM). Новими особливостями даного типу пам'яті є використання тактового генератора для синхронізації всіх сигналів та використання конвеєрної обробки інформації.

Також пам'ять могла працювати при значно вищих частотах системної шини (100 МГц і вище). Недоліками даного типу пам'яті була їхня висока ціна, а також несумісність із багатьма чипсетами і материнськими платами в силу своїх нових конструктивних особливостей. Робочі частоти даного типу пам'яті могли дорівнювати 66 МГц, 100 МГц чи 133 МГц, час повного доступу — 40 нс і 30 нс, а час робочого циклу - 10 нс і 7,5 нс.

DDR SDRAM

Конструктивно новий тип оперативної пам'яті DDR2 SDRAM був випущений в 2004 році. Базуючись на технології DDR SDRAM, цей тип пам'яті за рахунок технічних змін показує вищу швидкодію. Пам'ять може працювати на частотах 200 МГц, 266 МГц, 333 МГц і 400 МГц. Час повного доступу — 25 нс, 11,25 нс, 9 нс, 7,5 нс. Час робочого циклу — 5 нс, 3,75 нс, 3 нс, 3,5 нс.

DDR2

Найбільш природним чином вирішення проблеми досягнення вищих тактових частот при переході від DDR до DDR2 є зниження тактової частоти внутрішньої шини даних удвічі по відношенню до реальної тактової частоти зовнішньої шини даних (частоті буферів введення-виводу). Так, в даному прикладі мікросхем пам'яті DDR2-800 (рис.1) частота буферів введення-виводу складає 400 Мгц, а «ефективна» частота зовнішньої шини даних - 800 Мгц (оскільки суть технології Double Data Rate залишається в силі - дані як і раніше передаються як по висхідному, так і по низхідному напівперіоді синхросигналу). При цьому частота внутрішньої шини даних складає всього 200 Мгц, тому для передачі 1 біта (по кожній лінії даних) за такт зовнішньої шини даних з ефективною частотою 800 Мгц на кожному такті 200-мгц внутрішньої шини даних потрібно передати вже 4 бітів даних. Іншими словами, внутрішня шина даних мікросхеми пам'яті DDR2 повинна бути в 4 рази ширше в порівнянні з її зовнішньою шиною.

Рис.1  Схематичне зображення передачі даних в мікросхемі пам'яті DDR2-800

Така схема доступу до даних, реалізована в DDR2, називається схемою «4n-передвибірки» (4n-prefetch). Її переваги перед схемою 2n-prefetch, реалізованою в DDR, очевидні. З одного боку, для досягнення рівної пікової пропускної спроможності можна використовувати удвічі меншу внутрішню частоту мікросхем пам'яті (200 Мгц для DDR-400 і всього 100 Мгц для DDR2-400, що дозволяє значно понизити енергоспоживання). З іншого боку, при рівній внутрішній частоті функціонування мікросхем DDR і DDR2 (200 Мгц як для DDR-400, так і DDR2-800) останні характеризуватимуться удвічі більшою теоретичною пропускною спроможністю. Недоліки - функціонування мікросхем DDR2 на удвічі меншій частоті (в умовах рівності теоретичної пропускної спроможності пристроїв DDR і DDR2) і використання складнішої схеми перетворення «4-1» приводить до відчутного зростання затримок, що і спостерігалося на практиці в ході дослідження перших зразків модулів пам'яті DDR2.

Подальший розвиток технології пам'яті DDR2 з'явився істотно аналогічним розвитку її попереднього покоління, пам'яті DDR. А саме, були досягнуті частоти в 333 і 400 Мгц (тобто реалізовані офіційні стандарти DDR2-667 і DDR2-800). Були значно понижені затримки.

Проте, як і у випадку з минулим поколінням пам'яті DDR, на сьогоднішній день межа технології пам'яті DDR2 (по частоті, затримках і значно збільшеному тепловиділенню внаслідок значного збільшення живлячої напруги) практично досягнута. Тому вже сьогодні цілком закономірно чекати черговий «еволюційний стрибок» технології пам'яті DDR SDRAM - перехід від пам'яті стандарту DDR2 до нового стандарту DDR3.

Рис.2. Схематичне зображення передачі даних в мікросхемі пам'яті DDR3-1600

DDR3 - це все та ж DDR SDRAM, тобто передача даних як і раніше здійснюється по обох напівперіодах синхросигнала на подвоєній «ефективній» частоті щодо власної частоти шини пам'яті. Тільки рейтинги продуктивності зросли в 2 рази, в порівнянні з DDR2 - типовими швидкісними категоріями пам'яті нового стандарту DDR3 будуть різновиди від DDR3-800 до DDR3-1600 (і вище). Чергове збільшення теоретичної пропускної спроможності компонентів пам'яті в 2 рази знов пов'язане із зниженням їх внутрішньої частоти функціонування в стільки ж раз. 

4.     Порівняльна характеристика DDR2 та DDR3

 У порівнянні з DDR новий вид ОЗУ працював набагато швидше. Як і у першого покоління DDR, DDR2 передає дані по обох зрізах. Вся різниця лише в тому, що DDR2 має набагато більш швидку шину, передача даних на яку може відбуватися одночасно з чотирьох місць. Таким чином, швидкість DDR2 як мінімум в два рази перевершувала швидкість оперативної пам’яті попереднього покоління. Також DDR2 відрізняється скромним енергоспоживанням і дуже швидким охолодженням. Однак всі ці показники здавалися неймовірними тільки до появи на ринку наступного покоління оперативної пам’яті.

Незабаром було представлено нове покоління оперативної пам’яті – DDR3. Завдяки зниженню напруги живлення осередків, творцям нового типу ОЗУ вдалося знизити її енергоспоживання аж на 15 відсотків, що, враховуючи вражаючі показники DDR2, можна було назвати справжнім проривом. Більше того, існують модифікації DDR3, помічені буквою L, які відрізняються ще більшим енергозбереженням. Пропускаючи здатність у DDR3 значно перевершує аналогічний показник попередніх моделей пам’яті і становить до 21300 МБ / с. Втім, вже сьогодні готові перші зразки пам’яті DDR4, яка також значно перевершить попереднє покоління з усіх важливих характеристикам.

Порівняння DDR2 і DDR3

Неважко здогадатися, що DDR2 і DDR3 не можуть бути сумісними і взаємозамінними. Крім того, два покоління оперативної пам’яті істотно відрізняються в плані швидкості роботи і показників частоти – максимальна частота DDR2 складає 800 МГц, а максимальна частота DDR3 – 1600 МГц. Ні в якому разі не варто намагатися поставити пам’ять DDR2 і DDR3 на одну материнську плату, оскільки вони категорично несумісні. Сьогодні у продажу є гібридні материнські плати з роз’ємами під обидва види ОЗУ, проте використовувати їх можна тільки окремо один від одного. Ну, і не варто забувати, DDR3 куди більш економно витрачає електроенергію і швидше охолоджується, що важливо при інтенсивному навантаженні на комп’ютер. різниця між DDR2 і DDR3 полягає в наступному: DDR2 і DDR3 мають різні слоти і є несумісними один з одним. DDR3 має більшу тактову частоту – 1600 МГц проти 800 МГц. DDR3 відрізняється меншим енергоспоживанням і більшою пропускною здатністю. В цілому швидкість роботи DDR3 вище, ніж у DDR2, на 15-20 відсотків.

Так, основні швидкісні характеристики передбачуваних специфікацій модулів пам'яті DDR3, представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Швидкісні характеристики модулів пам'яті DDR3

Рейтинг продуктивності модулів пам'яті DDR3 має значення виду «Pc3-x», де X означає пропускну спроможність модуля в одноканальному режимі, виражену в МБ/С. Оскільки модулі пам'яті DDR3 мають ту ж розрядність, що і модулі пам'яті DDR2 - 64 біта, чисельні значення рейтингів рівночастотних модулів пам'яті DDR2 і DDR3 співпадають (наприклад, Pc2-6400 для DDR2-800 і Pc3-6400 для DDR3-800).

Висновки

В даний час обсяг оперативної пам'яті пішов на сотні мегабайт і більше. Щоправда, продуктивність підсистеми пам'яті все ще залишає бажати кращого. Причому, сучасна ситуація навіть гірше, ніж десять - п'ятнадцять років тому. Якщо персональні комп'ютери кінця вісімдесятих - початку дев'яностих оснащувалися мікропроцесорами з тактовою частотою близько 10 МГц і оперативною пам'яттю з часом доступу 200 нс., Типова конфігурація ПК найближчого майбутнього буде становити в сотні і тисячі разів більше. Неважко підрахувати, що за часів верховенства IBM XT / AT звернення до одній клітинці займало буквально кілька тактів процесора і це при тому, що більшість арифметичних команд забирало десятки тактів. Сучасні ж процесори витрачають на читання довільної комірки, часом сотні тактів, виконуючи в цей же самий час ледве чи не по три обчислювальних інструкцій за такт.

Природно дані проблеми вже розглядаються і вирішуються інженерами-конструкторами, що можливо дасть вийти у виробництво нових видів оперативної пам'яті. Так само буде збільшуватися швидкість і об'єм оперативної пам'яті.

Список використаної літератури

1.     wikipedia.org.

3.     ua-referat - Реферати. Оперативна пам `ять персонального комп` ютера

4.     uatur / html / oit / index.htm - Основи ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ. Системна плата. Внутрішня пам'ять

5.     windxp - Налаштування, оптимізація, безпека Windows. Характеристика пам'яті.