Структура микросхемы, элемент статической памяти. Статическая память

Лекция №4 Система памяти
План:
Введение
1. Классификация типов памяти.
2. Память ROM, SRAM, DRAM.

Введение

Память – это свойство, которым обладает живое существо или устройство.

Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) - часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени.

В персональных компьютерах «памятью» часто называют один из её видов - динамическая память с произвольным доступом (DRAM), - которая в настоящее время используется в качестве ОЗУ персонального компьютера.
Работоспособность всей компьютерной системы зависит не только от оперативной памяти, но и от подсистемы памяти в целом.

Подсистема памяти охватывает:
оперативную память;
кэш-память процессора;
контроллер памяти;
шины данных и команд.
Рост требуемых объемов оперативной (системной) памяти происходит практически непрерывно по мере развития технологии аппаратных средств и программных продуктов. Сегодня повсеместным стандартом для оперативной памяти становится объем 4 ГБ.

1. Классификация типов памяти

Следует различать классификацию памяти и классификацию запоминающих устройств (ЗУ). Первая классифицирует память по функциональности, вторая же - по технической реализации. Здесь рассматривается первая - таким образом, в неё попадают как аппаратные виды памяти (реализуемые на ЗУ), так и структуры данных, реализуемые в большинстве случаев программно.
Доступные операции над данными в памяти
Память только для чтения (read-only memory, ROM)
Память для чтения/записи
Память на программируемых и перепрограммируемых ПЗУ (ППЗУ и ПППЗУ) не имеет общепринятого места в этой классификации. Её относят либо к подвиду памяти «только для чтения», либо выделяют в отдельный вид.
Также предлагается относить память к тому или иному виду по характерной частоте её перезаписи на практике: к RAM относить виды, в которых информация часто меняется в процессе работы, а к ROM - предназначенные для хранения относительно неизменных данных.

Энергозависимость
Энергонезависимая память (англ. nonvolatile storage) - память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;
Энергозависимая память (англ. volatile storage) - память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память на ОЗУ, кэш-память.
— Статическая память (англ. static storage) - энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;
— Динамическая память (англ. dynamic storage) - энергозависимая памяти, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

Метод доступа
Последовательный доступ (англ. sequential access memory, SAM) - ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в очерёдности их расположения. Вариант такой памяти - стековая память.
Произвольный доступ (англ. random access memory, RAM) - вычислительное устройство может обратиться к произвольной ячейке памяти по любому адресу.

Назначение
Буферная память (англ. buffer storage) - память, предназначенная для временного хранения данных при обмене ими между различными устройствами или программами.
Временная (промежуточная) память (англ. temporary (intermediate) storage) - память для хранения промежуточных результатов обработки.
Кеш-память (англ. cache memory) - часть архитектуры устройства или программного обеспечения, осуществляющая хранение часто используемых данных для предоставления их в более быстрый доступ, нежели кешируемая память.
Корректирующая память (англ. patch memory) - часть памяти ЭВМ, предназначенная для хранения адресов неисправных ячеек основной памяти. Также используются термины «relocation table» и «remap table».
Управляющая память (англ. control storage) - память, содержащая управляющие программы или микропрограммы. Обычно реализуется в виде ПЗУ.
Разделяемая память или память коллективного доступа (англ. shared memory, shared access memory) - память, доступная одновременно нескольким пользователям, процессам или процессорам.

Организация адресного пространства
Реальная или физическая память (англ. real (physical) memory) - память, способ адресации которой соответствует физическому расположению её данных;
Виртуальная память (англ. virtual memory) - память, способ адресации которой не отражает физического расположения её данных;
Оверлейная память (англ. overlayable storage) - память, в которой присутствует несколько областей с одинаковыми адресами, из которых в каждый момент доступна только одна.

Удалённость и доступность для процессора
Первичная память доступна процессору без какого-либо обращения к внешним устройствам. Это регистры процессора(процессорная или регистровая память) и кэш процессора (если есть);
Вторичная память доступна процессору путём прямой адресацией через шину адреса (Адресуемая память) или через другие выводы. Таким образом доступна основная память (память, предназначенная для хранения текущих данных и выполняемых программ) и порты ввода-вывода (специальные адреса, через обращение к которым реализовано взаимодействие с прочей аппаратурой);
Третичная память доступна только путём нетривиальной последовательности действий. Сюда входят все виды внешней памяти - доступной через устройства ввода-вывода. Взаимодействие с третичной памятью ведётся по определённым правилам (протоколам) и требует присутствия в памяти соответствующих программ. Программы, обеспечивающие минимально необходимое взаимодействие, помещаются в ПЗУ, входящее во вторичную память (у PC-совместимых ПК - это ПЗУ BIOS);
Положение структур данных, расположенных в основной памяти, в этой классификации неоднозначно. Как правило, их вообще в неё не включают, выполняя классификацию с привязкой к традиционно используемым видам ЗУ.

Управление процессором
Непосредственно управляемая (оперативно доступная) память (англ. on-line storage) - память, непосредственно доступная в данный момент времени центральному процессору.
Автономная память.

Организация хранения данных и алгоритмы доступа к ним
Повторяет классификацию структур данных.
Адресуемая память - адресация осуществляется по местоположению данных.
Ассоциативная память (англ. associative memory, content-addressable memory, CAM) - адресация осуществляется по содержанию данных, а не по их местоположению.
Магазинная (стековая) память (англ. pushdown storage) - реализация стека.
Матричная память (англ. matrix storage) - ячейки памяти расположены так, что доступ к ним осуществляется по двум или более координатам.
Объектная память (англ. object storage) - память, система управления которой ориентирована на хранение объектов. При этом каждый объект характеризуется типом и размером записи.
Семантическая память (англ. semantic storage) - данные размещаются и списываются в

Физические принципы
Эта классификация повторяет соответствующую классификацию ЗУ.

Разновидности магнитной памяти
Память на магнитной ленте (англ. magnetic tape memory) - представляет собой пластиковую узкую ленту с магнитным покрытием и механизм с блоком головок записи-воспроизведения (БГЗВ). Лента намотана на бобину, и последовательно протягивается лентопротяжным механизмом (ЛПМ) возле БГЗВ. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя ленты при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка плёнки возле зазора головки воспроизведения.
Память на магнитных дисках (англ. magnetic disk memory) - представляет собой круглый пластиковый диск с магнитным покрытием и механизм с БГЗВ. Данные при этом наносятся радиально, при вращении диска вокруг своей оси и радиальном сдвиге БГЗВ на шаг головки. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя диска при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка возле зазора головки воспроизведения.
Память на магнитной проволоке (англ. plated wire memory) Использовалась в магнитофонах до магнитной ленты. В настоящее время по этому принципу конструируется большинство авиационных т. н. «чёрных ящиков» - данный носитель имеет наиболее высокую устойчивость к внешним воздействиям и высокую сохранность даже при повреждениях в аварийных ситуациях.
Ферритовая память (англ. core storage) - ячейка представляет собой ферритовый сердечник, изменение состояния которого (перемагничивание) происходит при пропускании тока через намотанный на него проводник. В настоящее имеет ограниченное применение, в основном в военной сфере.

Разновидности оптической памяти
Фазоинверсная память (англ. Phase Change Rewritable storage, PCR) - оптическая память, в которой рабочий (отражающий) слой выполнен из полимерного вещества, способного при нагреве менять фазовое состояние (кристаллическое↔аморфное) и отражающие характеристики в зависимости от режима нагрева. Применяется в перезаписываемых оптических дисках (CD-RW, DVD-RW).

2. Память ROM, SRAM, DRAM.

В современных компьютерах используются запоминающие устройства трех основных типов:
ROM (Read Only Memory). Постоянное запоминающее устройство — ПЗУ, неспособное выполнять операцию записи данных.
DRAM (Dynamic Random Access Memory). Динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки.
SRAM (Static RAM). Статическая оперативная память.

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.

Рисунок ROM-память

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 видеоадаптер. Платы, не нуждающиеся в драйверах на раннем этапе начальной загрузки, обычно не имеют ROM, потому что их драйверы могут быть загружены с жесткого диска позже — в процессе начальной загрузки.
Рисунок ROM-память

В настоящее время в большинстве систем используется одна из форм Flash-памяти, которая называется электрически стираемой программируемой постоянной памятью (Electrically Erasable Programmable Readonly Memory — EEPROM). Flash-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.).

SRAM(кэш-память)
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. Это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем DRAM, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры.

Статическая память — это тип памяти, в котором значение бита информация хранится в ячейке определяющаяся наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе (управляемом транзисторами).
В статической памяти применяются специальные элементы — триггеры, реализованные на 4-6 транзисторах. Именно триггер является ячейкой статической памяти.

Рисунок Схема ячейки статической памяти

Транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника.
Триггер — логический элемент с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Такое устройство сохраняет свое состояние, до тех пор, пока подается питание. Время срабатывания триггера составляет в современных микросхемах не более 2нс (Pentium 4 3,6 GHz = 0.28нс; Athlon XP 2,2GHz = 0.41нс). SRAM различается по принципу работы.

Существует три типа:
1. Async SRAM (Asynchronous Static Random Access Memory) — асинхронная статическая память с произвольным порядком выборки;
2. SyncBurst SRAM (Synchronous Burst Random Access Memory) – синхронная пакетная статическая память с произвольным порядком выборки;
3. PipBurst SRAM (Pipelined Burst Random Access Memory) – конвейерная пакетная статическая память с произвольным порядком выборки;
Async SRAM – это устаревший тип памяти, асинхронный интерфейс которой схож с интерфейсом DRAM и включает в себя шины адреса, данных и управления.
SyncBurst SRAM – этот тип памяти синхронизирован с системной шиной и лучше всего подходит для выполнения пакетных операций. Ну а интерфейс PipBurst SRAM схож с интерфейсом SyncBurst SRAM, но позволяет получать данные без тактов ожидания.

Как правило, чем больше объем кэш, тем система производительней. Но сам по себе объем еще не гарантирует высокой производительности. Для кэш главное – контроллер.

Время доступа SRAM 2 нс. 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.

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.

Память типа DRAM
DRAM (Dynamic Random Access Memory) - тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM), также запоминающее устройство, наиболее широко используемое в качестве ОЗУ современных компьютеров.

Физически память DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Рисунок Схема ячейки динамической памяти

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), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную, например, 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128×15 мкс) 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, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторыхячейках памяти заряд “стечет”, а это вызовет сбои 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 4Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более миллиарда транзисторов. В микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последователь но, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур.

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.

Характеристики памяти DRAM
Основными характеристиками DRAM являются рабочая частота и тайминги.

При обращении к ячейке памяти контроллер памяти задаёт номер банка, номер страницы в нём, номер строки и номер столбца и на все эти запросы тратится время, помимо этого довольно большой период уходит на открытие и закрытие банка после самой операции. На каждое действие требуется время, называемое таймингом.
Основными таймингами DRAM являются:

• задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного доступа (англ. RAS to CAS delay), з
• адержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки, называемая временем рабочего цикла (англ. CAS delay),
• задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки (англ. RAS precharge).

Тайминги измеряются в наносекундах, и чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память.
Типы DRAM:
На протяжении долгого времени разработчиками создавались различные типы памяти. Они обладали разными характеристиками, в них были использованы разные технические решения. Основной движущей силой развития памяти было развитие компьютеров и центральных процессоров. Постоянно требовалось увеличение быстродействия и объёма оперативной памяти.
Страничная память
Страничная память (англ. page mode DRAM, PM DRAM) являлась одним из первых типов выпускаемой компьютерной оперативной памяти. Память такого типа выпускалась в начале 1990-х годов, но с ростом производительности процессоров и ресурсоёмкости приложений требовалось увеличивать не только объём памяти, но и скорость её работы.
Быстрая страничная память
Быстрая страничная память (англ. fast page mode DRAM, FPM DRAM) появилась в 1995 году. Принципиально новых изменений память не претерпела, а увеличение скорости работы достигалось путём повышенной нагрузки на аппаратную часть памяти. Данный тип памяти в основном применялся для компьютеров с процессорами Intel 80486 или аналогичных процессоров других фирм. Память могла работать на частотах 25 и 33 МГц с временем полного доступа 70 и 60 нс и с временем рабочего цикла 40 и 35 нс соответственно.

3. Модули оперативной памяти SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM и др.

EDO DRAM - память с усовершенствованным выходом
C появлением процессоров Intel Pentium память FPM DRAM оказалась совершенно неэффективной. Поэтому следующим шагом стала память с усовершенствованным выходом (англ. extended data out DRAM, EDO DRAM). Эта память появилась на рынке в 1996 году и стала активно использоваться на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше. Её производительность оказалась на 10-15 % выше по сравнению с памятью типа FPM DRAM. Её рабочая частота была 40 и 50 МГц, соответственно, время полного доступа - 60 и 50 нс, а время рабочего цикла - 25 и 20 нс. Эта память содержит регистр-защелку (англ. data latch) выходных данных, что обеспечивает некоторую конвейеризацию работы для повышения производительности при чтении.

SDRAM - синхронная DRAM
В связи с выпуском новых процессоров и постепенным увеличением частоты системной шины, стабильность работы памяти типа EDO DRAM стала заметно падать. Ей на смену пришла синхронная память (англ. synchronous DRAM, SDRAM). Новыми особенностями этого типа памяти являлись использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Также память надёжно работала на более высоких частотах системной шины (100 МГц и выше).

Рисунок Модуль памяти SD RAM

Если для FPM и EDO памяти указывается время чтения первой ячейки в цепочке (время доступа), то для SDRAM указывается время считывания последующих ячеек. Цепочка - несколько последовательных ячеек. На считывание первой ячейки уходит довольно много времени (60-70 нс) независимо от типа памяти, а вот время чтения последующих сильно зависит от типа. Рабочие частоты этого типа памяти могли равняться 66, 100 или 133 МГц, время полного доступа - 40 и 30 нс, а время рабочего цикла - 10 и 7,5 нс.

С этим типом памяти применялась технология Virtual Channel Memory (VCM). VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. VCM, помимо высокой скорости передачи данных, была совместима с существующими SDRAM, что позволяло делать апгрейд системы без значительных затрат и модификаций. Это решение нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.

Enhanced SDRAM (ESDRAM)
Для преодоления некоторых проблем с задержкой сигнала, присущих стандартной DRAM-памяти, было решено встроить небольшое количество SRAM в чип, то есть создать на чипе кеш.
- это, по существу, SDRAM с небольшим количеством SRAM. При малой задержке и пакетной работе достигается частота до 200 МГц. Как и в случае внешней кеш-памяти, SRAM-кеш предназначен для хранения и выборки наиболее часто используемых данных. Отсюда и уменьшение времени доступа к данным медленной DRAM.
Одним из таких решений являлась ESDRAM от Ramtron International Corporation.

Рисунок Модули ESDRAM

Пакетная EDO RAM
Пакетная память EDO RAM (англ. burst extended data output DRAM, BEDO DRAM) стала дешёвой альтернативой памяти типа SDRAM. Основанная на памяти EDO DRAM, её ключевой особенностью являлась технология поблочного чтения данных (блок данных читался за один такт), что сделало её работу быстрее, чем у памяти типа SDRAM. Однако невозможность работать на частоте системной шины более 66 МГц не позволила данному типу памяти стать популярным.

Рисунок Модуль EDORAM

Video RAM
Специальный тип оперативной памяти - Video RAM (VRAM) - был разработан на основе памяти типа SDRAM для использования в видеоплатах. Он позволял обеспечить непрерывный поток данных в процессе обновления изображения, что было необходимо для реализации изображений высокого качества. На основе памяти типа VRAM, появилась спецификация памяти типа Windows RAM (WRAM), иногда её ошибочно связывают с операционными системами семейства Windows. Её производительность стала на 25 % выше, чем у оригинальной памяти типа SDRAM, благодаря некоторым техническим изменениям.

Рисунок Микросхема Video RAM

DDR SDRAM
По сравнению с обычной памятью типа SDRAM, в памяти SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных (англ. double data rate SDRAM, DDR SDRAM или SDRAM II) была вдвое увеличена пропускная способность. Первоначально память такого типа применялась в видеоплатах, но позднее появилась поддержка DDR SDRAM со стороны чипсетов.

У всех предыдущих DRAM были разделены линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали выполняться на одной шине. Двумя из таких решений являются технологии DRDRAM и SLDRAM. Они получили наибольшую популярность и заслуживают внимания. Стандарт SLDRAM является открытым и, подобно предыдущей технологии, SLDRAM использует оба перепада тактового сигнала. Что касается интерфейса, то SLDRAM перенимает протокол, названный SynchLink Interface и стремится работать на частоте 400 МГц.

Рисунок Модуль DDR SDRAM

Память DDR SDRAM работает на частотах в 100, 133, 166 и 200 МГц, её время полного доступа - 30 и 22,5 нс, а время рабочего цикла - 5, 3,75, 3 и 2,5 нс.
Так как частота синхронизации лежит в пределах от 100 до 200 МГц, а данные передаются по 2 бита на один синхроимпульс, как по фронту, так и по срезу тактового импульса, то эффективная частота передачи данных лежит в пределах от 200 до 400 МГц. Такие модули памяти обозначаются DDR200, DDR266, DDR333, DDR400.

Direct RDRAM или Direct Rambus DRAM
Тип памяти RDRAM является разработкой компании Rambus. Высокое быстродействие этой памяти достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах памяти. Первоначальная очень высокая стоимость памяти RDRAM привела к тому, что производители мощных компьютеров предпочли менее производительную, зато более дешёвую память DDR SDRAM. Рабочие частоты памяти - 400, 600 и 800 МГц, время полного доступа - до 30 нс, время рабочего цикла - до 2,5 нс.

Рисунок Модули RD RAM

DDR2 SDRAM
Конструктивно новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM был выпущен в 2004 году. Основываясь на технологии DDR SDRAM, этот тип памяти за счёт технических изменений показывает более высокое быстродействие и предназначен для использования на современных компьютерах. Память может работать с тактовой частотой шины 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 и 600 МГц. При этом эффективная частота передачи данных соответственно будет 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 и 1200 МГц. Некоторые производители модулей памяти помимо стандартных частот выпускают и образцы, работающие на нестандартных (промежуточных) частотах. Они предназначены для использования в разогнанных системах, где требуется запас по частоте. Время полного доступа - 25, 11,25, 9, 7,5 нс и менее. Время рабочего цикла - от 5 до 1,67 нс.

Рисунок Модуль DDR2 SDRAM

DDR3 SDRAM
Этот тип памяти основан на технологиях DDR2 SDRAM со вдвое увеличенной частотой передачи данных по шине памяти. Отличается пониженным энергопотреблением по сравнению с предшественниками. Частота полосы пропускания лежит в пределах от 800 до 2400 МГц (рекорд частоты - более 3000 МГц), что обеспечивает большую пропускную способность по сравнению со всеми предшественниками.

Рисунок Модуль DDR3 SDRAM

Конструктивные исполнения памяти DRAM

Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP, SOIC, BGA, и в виде модулей памяти типа: SIPP, SIMM, DIMM, RIMM.

Первоначально микросхемы памяти выпускались в корпусах типа DIP (к примеру, серия К565РУхх), далее они стали производится в более технологичных для применения в модулях корпусах.
На многих модулях SIMM и подавляющем числе DIMM устанавливалась SPD (Serial Presence Detect) - небольшая микросхема памяти EEPROM, хранящяя параметры модуля (ёмкость, тип, рабочее напряжение, число банков, время доступа и т. п.), которые программно были доступны как оборудованию, в котором модуль был установлен (применялось для автонастройки параметров), так и пользователям и производителям.
Модули SIPP
Модули типа SIPP (Single In-line Pin Package) представляют собой прямоугольные платы с контактами в виде ряда маленьких штырьков. Этот тип конструктивного исполнения уже практически не используется, так как он далее был вытеснен модулями типа SIMM.
Модули SIMM
Модули типа SIMM (Single In-line Memory Module) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядом контактных площадок вдоль одной из её сторон. Модули фиксируются в разъёме (сокете) подключения с помощью защёлок, путём установки платы под некоторым углом и нажатия на неё до приведения в вертикальное положение. Имели несколько модификаций, среди которых наибольшее распространение получили три.
Первая - 30-контактный модуль, имевший объем от 256 КБайт до 16 МБайт и восьмиразрядную шину данных, дополняемую (иногда) девятой линией контроля четности памяти. Применялся в 286, 386 машинах. В случае процессоров 286, 386SX модули ставились парами, на 386DX - по четыре штуки одинаковой емкости.
30-контактный модуль SIMM.
С приходом 486 машин, для которых эти модули надо было бы ставить по четыре (как минимум) штуки был вытеснен 72-контактным модулем SIMM, который, по существу, объединил на себе 4 30-контактных модуля с общими линиями адреса и раздельными линиями данных. Таким образом, модуль становится 32-разрядным и достаточно всего одного модуля. Объем от 1 МБайт до 128 МБайт.
Характеристики:
Разрядность шины данных: 8 бит (9 бит у модулей с контролем четности)
Тип применяемых микросхем динамической памяти: FPM
Стандартные значения объема памяти модулей: 256 Кб, 1 Мб, 4 Мб, 16 Мб
Шаг расположения контактных площадок - 0,1″

Таким образом модули выпускались на 4, 8, 16, 32, 64, 128 Мбайт. Наиболее распространены 30- и 72-контактные модули SIMM.

Модули DIMM
Модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих её сторон, устанавливаемые в разъём подключения вертикально и фиксируемые по обоим торцам защёлками. Микросхемы памяти на них могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы. DIMM (англ. Dual In-line Memory Module, двухсторонний модуль памяти) - форм-фактор модулей памяти DRAM. Данный форм-фактор пришёл на смену форм-фактору SIMM. Основным отличием DIMM от предшественника является то, что контакты, расположенные на разных сторонах модуля являются независимыми, в отличие от SIMM, где симметричные контакты, расположенные на разных сторонах модуля, замкнуты между собой и передают одни и те же сигналы. Кроме того, DIMM имеет 64 (без контроля чётности)или 72 (с контролем по чётности или коду ECC) линии передачи данных, в отличие от SIMM c 32 линиями.
Конструктивно представляет собой длинную прямоугольную плату с рядами контактных площадок вдоль обеих её сторон, устанавливаемую в разъём подключения вертикально и фиксируемый по обоим её торцам защёлками. Микросхемы памяти могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы.
В отличие от форм-фактора SIMM, используемого для асинхронной памяти FPM и EDO, форм-фактор DIMM предназначен для памяти типа SDRAM. Изготавливались модули рассчитаные на напряжение питания 3,3 В и (реже) 5 В.
В дальнейшем, в модули DIMM стали упаковывать память типа DDR, DDR II и DDR III, отличающуюся повышенным быстродействием.
Появлению форм-фактора DIMM способствовало появление процессора Pentium, который имел 64-разрядную шину данных. В профессиональных рабочих станциях, таких, как SPARCstation, такой тип памяти использовался с начала 1990-х годов. В компьютерах общего назначения широкий переход на этот тип памяти произошёл в конце 1990-х, примерно во времена процессора Pentium II.
Существуют следующие типы DIMM:
72-pin SO-DIMM (не совместима с 72-pin SIMM) - используется для FPM DRAM и EDO DRAM
100-pin DIMM - используется для принтеров SDRAM
144-pin SO-DIMM - используется для SDR SDRAM
168-pin DIMM - используется для SDR SDRAM (реже для FPM/EDO DRAM в рабочих станциях/серверах)
172-pin MicroDIMM - используется для DDR SDRAM
184-pin DIMM - используется для DDR SDRAM
200-pin SO-DIMM - используется для DDR SDRAM и DDR2 SDRAM
214-pin MicroDIMM - используется для DDR2 SDRAM
204-pin SO-DIMM - используется для DDR3 SDRAM
240-pin DIMM - используется для DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM и FB-DIMM DRAM
Модули памяти типа SDRAM наиболее распространены в виде 168-контактных DIMM-модулей, памяти типа DDR SDRAM - в виде 184-контактных, а модули типа DDR2, DDR3 и FB-DIMM SDRAM - 204-контактных модулей.

Модули RIMM
Модули типа RIMM (Rambus In-line Memory Module) менее распространены, в них выпускается память типа RDRAM. Они представлены 168- и 184-контактными разновидностями, причём на материнской плате такие модули обязательно должны устанавливаться только в парах, в противном случае в пустые разъёмы устанавливаются специальные модули-заглушки (это связано с особенностями конструкции таких модулей). Также существуют 242-контактные PC1066 RDRAM модули RIMM 4200, не совместимые с 184-контактными разъёмами, и уменьшенная версия RIMM - SO-RIMM, которые применяются в портативных устройствах.

Рисунок Модули памяти в различных форм факторах

История использовани я и основные характеристики
Массовый выпуск SDRAM начался в 1993 году. Первоначально этот тип памяти предлагался в качестве альтернативы для дорогой видеопамяти (VRAM), однако вскоре SDRAM завоевал популярность и стал применяться в качестве ОЗУ, постепенно вытесняя другие типы динамической памяти. Последовавшие затем технологии DDR позволили сделать SDRAM ещё эффективнее. За разработкой DDR SDRAM, последовал стандарт DDR2 SDRAM, а затем и DDR3 SDRAM.
SDR SDRAM

Первый стандарт SDRAM с появлением последующих стандартов стал именоваться SDR (Single Data Rate - в отличие от Double Data Rate). За один такт принималась одна управляющая команда и передавалось одно слово данных. Типичными тактовыми частотами были 66, 100 и 133 МГц. Микросхемы SDRAM выпускались с шинами данных различной ширины (обычно 4, 8 или 16 бит), но как правило, эти микросхемы входили в состав 168-пинного модуля DIMM, который позволял прочитать или записать 64 бита (в варианте без контроля чётности) или 72 бита (с контролем чётности) за один такт.

Использование шины данных в SDRAM оказалось осложнено задержкой в 2 или 3 такта между подачей сигнала чтения и появлением данных на шине данных, тогда как во время записи никакой задержки быть не должно. Потребовалась разработка достаточно сложного контроллера, который не позволял бы использовать шину данных для записи и для чтения в один и тот же момент времени.
Управляющие сигналы
Команды, управляющие модулем памяти SDR SDRAM, подаются на контакты модуля по 7 сигнальным линиям. По одной из них подается тактовый сигнал, передние(нарастающие) фронты которого задают моменты времени, в которые считываются команды управления с остальных 6 командных линий. Имена(в скобках — расшифровки имен) шести командных линий и описания команд приведены ниже:
CKE (clock enable) - при низком уровне сигнала блокируется подача тактового сигнала на микросхему. Команды не обрабатываются, состояние других командных линий игнорируется.
/CS (chip select) - при высоком уровне сигнала все прочие управляющие линии, кроме CKE, игнорируются. Действует как команда NOP (нет оператора).
DQM (data mask) - высокий уровень на этой линии запрещает чтение/запись данных. При одновременно поданной команде записи данные не записываются в DRAM. Присутствие этого сигнала в двух тактах, предшествующих циклу чтения приводит к тому, что данные не считываются из памяти.
/RAS (row address strobe) - несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный бит. Вместе с /CAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
/CAS (column address strobe) - несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный бит. Вместе с /RAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
/WE (write enable) - Вместе с /RAS и /CAS кодирует одну из 8 команд.
Устройства SDRAM внутренне разделены на 2 или 4 независимых банка памяти. Входы адреса первого и второго банка памяти (BA0 и BA1) определяют, какому банку предназначена текущая команда.
Принимаются следующие команды:

DDR SDRAM пришла на смену памяти типа SDRAM. При использовании DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в SDRAM, за счёт считывания команд и данных не только по фронту, как в SDRAM, но и по спаду тактового сигнала. За счёт этого удваивается скорость передачи данных без увеличения частоты тактового сигнала шины памяти. Таким образом, при работе DDR на частоте 100 МГц мы получим эффективную частоту 200МГц (при сравнении с аналогом SDR SDRAM).

Описание:
Внешнее отличие — 184 контактов (по 92 с каждой стороны)
Микросхемы памяти DDR SDRAM выпускаются в корпусах TSOP и (освоено позднее) корпусах типа BGA (FBGA), производятся по нормам 0,13 и 0,09-микронного техпроцесса
Напряжение питания микросхем: 2,6 В +/- 0,1 В
Потребляемая мощность: 527 мВт
Интерфейс ввода-вывода: SSTL_2

Ширина шины памяти составляет 64 бита, то есть по шине за один такт одновременно передаётся 8 байт. В результате получаем следующую формулу для расчёта максимальной скорости передачи для заданного типа памяти: тактовая частота шины памяти x 2 (передача данных дважды за такт) x 8 (число байтов передающихся за один такт). Например, чтобы обеспечить передачу данных дважды за такт, используется специальная архитектура «2n Prefetch». Внутренняя шина данных имеет ширину в два раза больше внешней. При передаче данных сначала передаётся первая половина шины данных по фронту тактового сигнала, а затем вторая половина шины данных по спаду.

Помимо удвоенной передачи данных, DDR SDRAM имеет несколько других принципиальных отличий от простой памяти SDRAM. В основном они являются технологическими. Например, был добавлен сигнал QDS, который располагается на печатной плате вместе с линиями данных. По нему происходит синхронизация при передаче данных. Если используется два модуля памяти, то данные от них приходят к контроллеру памяти с небольшой разницей из-за разного расстояния. Возникает проблема в выборе синхросигнала для их считывания и использование QDS успешно это решает.

JEDEC устанавливает стандарты для скоростей DDR SDRAM, разделённых на две части: первая для чипов памяти, а вторая для модулей памяти, на которых, собственно, и размещаются чипы памяти.

Чипы памяти
В состав каждого модуля DDR SDRAM входит несколько идентичных чипов DDR SDRAM. Для модулей без коррекции ошибок (ECC) их количество кратно 8, для модулей с ECC - кратно 9.
Спецификация чипов памяти:
DDR200: память типа DDR SDRAM, работающая на частоте 100 МГц
DDR266: память типа DDR SDRAM, работающая на частоте 133 МГц
DDR333: память типа DDR SDRAM, работающая на частоте 166 МГц
DDR400: память типа DDR SDRAM, работающая на частоте 200 МГц
DDR533: память типа DDR SDRAM, работающая на частоте 266 МГц
DDR666: память типа DDR SDRAM, работающая на частоте 333 МГц
DDR800: память типа DDR SDRAM, работающая на частоте 400 МГц

Характеристики чипов:
Объём чипа (DRAM density). Записывается в мегабитах, например 256 Мбит - чип объёмом 32 мегабайта.
Организация (DRAM organization). Записывается в виде 64M x 4, где 64M - это количество элементарных ячеек хранения (64 миллиона), а x4 (произносится «by four») - разрядность чипа, то есть разрядность каждой ячейки. Чипы DDR бывают x4 и x8, последние стоят дешевле в пересчёте на мегабайт объёма, но не позволяют использовать функции Chipkill, memory scrubbing и Intel SDDC.
Модули памяти:
Модули DDR SDRAM выполнены в форм-факторе DIMM. На каждом модуле расположено несколько одинаковых чипов памяти и конфигурационный чип SPD. На модулях регистровой (registered) памяти также располагаются регистровые чипы, буферизующие и усиливающие сигнал на шине, на модулях нерегистровой (небуферизованной, unbuffered) памяти их нет.

Характеристики модулей:
Объём. Указывается в мегабайтах или гигабайтах.
Количество чипов (# of DRAM Devices). Кратно 8 для модулей без ECC, для модулей с ECC - кратно 9. Чипы могут располагаться на одной или обеих сторонах модуля. Максимальное умещающееся на DIMM количество - 36 (9×4).
Количество строк (ранков) (# of DRAM rows (ranks)). Перед обращением к ячейке памяти DDR должна быть активирована строка, в которой находится эта ячейка, причём в модуле может быть активна только одна строка за раз. Чем больше строк в модуле, тем чаще в среднем придётся закрывать одну строку и активировать другую, что вызовет дополнительные задержки. С другой стороны, контроллер памяти некоторых чипсетов имеют ограничение на общее число ранков в установленных модулях памяти. Например чипсет Intel E7520/E7320 при использовании памяти PC2700 ограничен 8 ранками. Чтобы установить в материнскую плату на его основе с 8 слотами DIMM максимум памяти (2 Гб x 8 = 16 Гб), необходимо использовать только одноранковые (Single Rank) модули. Типичное число ранков - 1, 2 или 4. Разрядность строки равна разрядности шины памяти и составляет 64 бита для памяти без ECC и 72 бита для памяти с ECC.
Задержки (тайминги): CAS Latency (CL), Clock Cycle Time (tCK), Row Cycle Time (tRC), Refresh Row Cycle Time (tRFC), Row Active Time (tRAS).

Характеристики модулей и чипов, из которых они состоят, связаны.
Объём модуля равен произведению объёма одного чипа на число чипов. При использовании ECC это число дополнительно умножается на коэффициент 8/9, так как на каждый байт приходится один бит избыточности для контроля ошибок. Таким образом один и тот же объём модуля памяти можно набрать большим числом (36) маленьких чипов или малым числом (9) чипов большего объёма.
Общая разрядность модуля равна произведению разрядности одного чипа на число чипов и равна произведению числа ранков на 64 (72) бита. Таким образом, увеличение числа чипов или использование чипов x8 вместо x4 ведёт к увеличению числа ранков модуля.

Спецификация модулей памяти

DDR2 SDRAM пришла на смену памяти типа DDR SDRAM.
Как и DDR SDRAM, DDR2 SDRAM использует передачу данных по обоим срезам тактового сигнала, за счёт чего при такой же частоте шины памяти, как и в обычной SDRAM, можно фактически удвоить скорость передачи данных (например, при работе DDR2 на частоте 100 МГц эквивалентная эффективная частота для SDRAM получается 200 МГц). Основное отличие DDR2 от DDR - вдвое большая частота работы шины, по которой данные передаются в буфер микросхемы памяти. При этом чтобы обеспечить необходимый поток данных, передача на шину осуществляется из четырёх мест одновременно. Итоговые задержки оказываются выше, чем для DDR.

Описание :
Внешнее отличие — 240 контактов (по 120 с каждой стороны)
Микросхемы памяти DDR2 производятся в новом корпусе типа BGA (FBGA).
Напряжение питания микросхем 1,8 В
Потребляемая мощность: 247 мВт
Интерфейс ввода-вывода: SSTL_18
Burst Length: 4/8
Prefetch Size: 4-bit
Новые функции: ODT, OCD Calibration, Posted CAS, AL (Additive Latency)

Спецификация чипов памяти:
Тип чипа Частота памяти Частота шины Передач данных в секунду
DDR2-400 100 МГц 200 МГц 400 млн.
DDR2-533 133 МГц 266 МГц 533 млн.
DDR2-667 166 МГц 333 МГц 667 млн.
DDR2-800 200 МГц 400 МГц 800 млн.
DDR2-1066 266 МГц 533 МГц 1066 млн.

Спецификация модулей памяти


DDR3 SDRAM пришла на смену памяти типа DDR2 SDRAM.
Возможности микросхем DDR3 SDRAM
Предвыборка 8 бит
Функция асинхронного сброса с отдельным контактом
Поддержка компенсации времени готовности на системном уровне
Зеркальное расположение контактов, удобное для сборки модулей
Выполнение CAS Write Latency за такт
Встроенная терминация данных
Встроенная калибровка ввода/вывода (мониторинг времени готовности и корректировка уровней)
Автоматическая калибровка шины данных

Возможности модулей DIMM DDR3
Последовательная топология управляющей шины (управление, команды, адреса) с внутримодульной терминацией
Высокоточные резисторы в цепях калибровки

Преимущества по сравнению с DDR2
Более высокая полоса пропускания (до 2400 МГц)
Сниженное тепловыделение (результат уменьшения напряжения питания)
Меньшее энергопотреблениие и улучшенное энергосбережение

Недостатки по сравнению с DDR2
Более высокая CAS-латентность (компенсируется большей пропускной способностью)
CAS-латентность (англ. column address strobe latency) - это время (в циклах) ожидания между запросом процессора на получение ячейки с информацией из памяти и временем, когда оперативная память сделает доступным для чтения первую ячейку.

Спецификация модулей памяти

Модули памяти SDR SDRAM могут иметь CAS-латентность, равную 1, 2 или 3 циклам. Модули DDR SDRAM могут иметь CAS-латентность, равную 2 или 2.5.
На модулях памяти CAS-латентность обозначается как CAS или CL. Пометка CAS2, CAS-2, CAS=2, CL2, CL-2 или CL=2 обозначает величину латентности, равную 2.
Особенности архитектуры памяти

Коррекция ошибок
Выявление и исправление ошибок (ЕСС - Error Checking and Correction) - этот специальный алгоритм, который заменил контроль четности в современных модулях памяти. Каждый бит данных включается более чем в одну контрольную сумму, поэтому при возникновении в нем ошибки возможно восстановить адрес и исправить сбойный бит. При сбоев двух и более битах ошибка лишь фиксируется, но не исправляется.

Система адресации
Для адресации ячеек памяти используют особенности матричной структуры. Полный адрес ячейки состоит из адресов строки и столбца. Для считывания (записи) информации на микросхему сначала подается сигнал RAS (Row Actress Strobe - импульс доступа к строке), а затем (одновременно или с небольшой задержкой) - код адреса строки. После этого через нормируемое время задержки должен быть подан код адреса столбца, перед которым проходит сигнал CAS (Column Adress Strobe - импульс доступа к столбцу). Под временем выборки микросхемы подразумевают промежуток между сигналами RAS. Следующее обращение к памяти возможно только через некоторое время, необходимое для восстановления внутренних/цепей. Этот промежуток называют временем перезарядки, причем оно составляет почти 90% от общего времени выборки. Данные из ячеек через усилители поступают в регистр микросхемы, откуда они становятся доступными после открытия линии DOUT (Data OUT). При операциях записи данные поступают по линии DIN (Data IN), а цикл происходит в обратном порядке.

Любое системное устройство, обладающее правом прямого доступа к памяти (по одному из каналов DMA - Direct Memory Acces), при необходимости посылает запрос, содержащий адрес и размер блока данных, а также управляющие сигналы. Так как доступ к памяти по каналам DMA одновременно могут иметь несколько устройств (например, процессор, видеокарта с интерфейсом AGP, контроллер шины PCI, жесткий диск), образуется очередь запросов, хотя каждому потребителю ресурсов памяти требуются собственные данные, часто расположенные не только в разных микросхемах, но и в разных банках памяти. Тем самым образуются значительные задержки при получении/записи данных. Технологии, позволяющие снизить или обойти перечисленные ограничения, описаны ниже.

Тайминг
Время пересылки данных измеряют в тактах микропроцессора и обычно записывают так: 6-2-2-2. Это означает, что на первую пересылку данных из произвольный ячейки памяти потребовалось 6 тактов шины, а на все последующие ячейки - по 2. Синхронная память обычно превосходит по быстродействию асинхронную. Например, при частоте системной шины 66 МГц память типа EDO 60 нc работает по схеме 5-2-2-2, а память типа SDRAM 10 нc, по схеме 5-1-1-1, что теоретически дает выигрыш в производительности около 30%.
На практике преимущество SDRAM меньше примерно на порядок, потому что далеко не все данные представляют собой последовательную выборку. Но уже при частоте системной шины 100 МГц память EDO 60 нc неработоспособна, a SDRAM 10 нc продолжает работу по схеме 5-1-1-1.

4. Производители и маркировка модулей памяти.

Для ориентировки приводим буквенный префикс обозначения продукции известных фирм, относящихся к группе major-производителей.
Fujitsu — MB;
Hyundai — НУ;
LG Semicon — GM;
Mitsubishi — M5M;
NEC — mPd;
Samsung — KM;
Texas Instruments — TMS;
Hitachi — HB;
IBM — IBM;
Micron — MT;
Mosel Vitelic — V;
Oki — MSM;
Siemens — HYB;
Toshiba — TC.

5. Альтернативная и перспективная память :
DDR4, SL DRAM,VCM DRAM, ESDRAM, FCRAM, FeRAM, MRAM.

Статическая память

Статическая память (SRAM ) обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня (L2) для кэширования основного объема ОЗУ. Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-, КМОП- или БиКМОП-микросхем и по способу доступа к данным может быть как асинхронной , так и синхронной . Асинхронным называется доступ к данным, который можно осуществлять в произвольный момент времени. Асинхронная SRAM применялась на материнских платах для третьего - пятого поколений процессоров. Время доступа к ячейкам такой памяти составляло от 15 нс (33 МГц) до 8 нс (66 МГц).

Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произвольные моменты времени, а одновременно (синхронно) с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для доступа следующую порцию данных. В большинстве материнских плат пятого поколения используется разновидность синхронной памяти - синхронно-конвейерная SRAM (Pipelined Burst SRAM), для которой типичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 такта, а групповая операция занимает 3-1 - 1 - 1 такта при первом обращении и 1 - 1 - 1 - 1 при последующих обращениях, что обеспечивает ускорение доступа более чем на 25 %.

SRAM в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти.

Async SRAM (Асинхронная статическая память). Это кэш-память, которая используется в течение многих лет с тех пор, как появился первый 386-й компьютер с кэш-памятью второго уровня. Обращение к ней осуществляется быстрее, чем к DRAM, и может, в зависимости от скорости процессора, использовать варианты с 20-, 15- или 10-нс доступом (чем меньше время обращения к данным, тем быстрее память и тем короче может быть пакетный доступ к ней). Тем не менее, как видно из названия, эта память является недостаточно быстрой для синхронного доступа, что означает, что при обращении процессора все-таки требуется ожидание, хотя и меньшее, чем при использовании DRAM.

SyncBurst SRAM (Синхронная пакетная статическая память). При частотах шины, не превышающих 66 МГц, синхронная пакетная SRAM является наиболее быстрой из существующих видов памяти. Причина этого в том, что, если процессор работает на не слишком большой частоте, синхронная пакетная SRAM может обеспечить полностью синхронную выдачу данных, что означает отсутствие задержки при пакетном чтении процессором 2-1-1 - 1, т. е. синхронная пакетная SRAM выдает данные в пакетном цикле 2-1-1 - 1. Когда частота процессора становится больше 66 МГц, синхронная пакетная SRAM не справляется с нагрузкой и выдает данные пакетами по 3-2-2-2, что существенно медленнее, чем при использовании конвейерной пакетной SRAM. К недостаткам относится и то, что синхронная пакетная SRAM производится меньшим числом компаний и поэтому стоит дороже. Синхронная пакетная SRAM имеет время адрес/данные от 8,5 до 12 нс.

Существует несколько основных конструктивных особенностей синхронной пакетной SRAM, которые делают ее существенно превосходящей асинхронную SRAM при использовании в качестве высокоскоростной кэш-памяти:

Синхронизация с системным таймером. В простейшем смысле это означает, что все сигналы запускаются от фронта сигнала таймера. Получение сигналов по фронту тактового импульса таймера существенно упрощает создание быстродействующей системы;

Пакетная обработка. Синхронные пакетные SRAM обеспечивают высокое быстродействие при небольшом количестве логических схем, организующих циклическую работу памяти с последовательными адресами. Четырехадресная пакетная последовательность может быть перемежающейся для совместимости с Intel или линейной для PowerPC и остальных систем.

Указанные особенности дают микропроцессору возможность более быстрого доступа к последовательным адресам, чем это можно сделать при других способах использования технологии SRAM. Хотя у некоторых поставщиков и имеется асинхронная SRAM 3.3V со временем таймер-данные, равным 15 нс, конвейерная синхронная пакетная SRAM, выполненная по такой же технологии, может обеспечить время таймер-данные менее 6 нс.

РВ SRAM (Конвейерная пакетная статическая память). Конвейер - это распараллеливание операций SRAM с использованием входных и выходных регистров. Заполнение регистров требует дополнительного начального цикла, но, будучи однажды заполненными, регистры обеспечивают быстрый переход к следующему адресу за то время, пока по текущему адресу считываются данные.

Благодаря этому такая память является наиболее быстрой кэш-памятью для систем с производительностью шины более 75 МГц. РВ SRAM может работать при частоте шины до 133 МГц. Она, кроме того, работает не намного медленнее, чем синхронная пакетная SRAM при использовании в медленных системах: она выдает данные все время пакетами по 3-1-1 - 1. Насколько высока производительность этой памяти, можно видеть по времени адрес/данные, которое составляет от 4,5 до 8 нс.

1-Т SRAM . Как уже отмечалось ранее, традиционные конструкции SRAM используют статический триггер для запоминания одного разряда (ячейки). Для реализации одной такой схемы на плате должно быть размещено от 4 до 6 транзисторов (4-Т, 6-Т SRAM). Фирма Monolithic System Technology (MoSys) объявила о создании нового типа памяти, в которой каждый разряд реализован на одном транзисторе (1-Т SRAM). Фактически здесь применяется технология DRAM, поскольку приходится осуществлять периодическую регенерацию памяти. Однако интерфейс с памятью выполнен в стандарте SRAM, при этом циклы регенерации скрыты от контроллера памяти. Схемы 1-Т позволяют снизить размер кремниевого кристалла на 50-80 % по сравнению с аналогичными для традиционных SRAM, а потребление электроэнергии - на 75 %.

Статическая память (SRAM) обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня для кэширования основного объема ОЗУ. Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-. КМОП- или БиКМОП-микросхем и по способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной. Асинхронным назы­вается доступ к данным, который можно осуществлять в произволь­ный момент времени. Асинхронная SRAM применялась на мате­ринских платах для третьего - пятого поколений процессоров. Вре­мя доступа к ячейкам такой памяти составляло от 15 (33 МГц) до 8 нс (66 МГц).

Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произ­вольные моменты времени, а синхронно с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для доступа сле­дующую порцию данных. В большинстве материнских плат пятого поколения используется разновидность синхронной памяти - пакетно-конвейерная SRAM (Pipelined Burst SRAM), для которой ти­пичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 так­та, а групповая операция занимает 3-1-1-1 такта при первом обра­щении и 1-1-1-1 при последующих обращениях, что обеспечивает ускорение доступа более чем на 25 %.

Async SRAM (Асинхронная статическая память). Это кэш-па­мять, которая используется в течение многих лет с тех пор, как поя­вился первый 386-й компьютер с кэш-памятью второго уровня. Об­ращение к ней производится быстрее, чем к DRAM, и могут, в за­висимости от скорости ЦП, использоваться варианты с доступом за 20, 15 или 10 нс (чем меньше время обращения к данным, тем быст­рее память и тем короче может быть пакетный доступ к ней). Тем не менее, как видно из названия, эта память является недостаточно быстрой для синхронного доступа, что означает, что для обращения ЦП все-таки требуется ожидание, хотя и меньшее, чем при исполь­зовании DRAM.

SyncBurst SRAM (Синхронная пакетная статическая память). При частотах шины, не превышающих 66 МГц, синхронная пакет­ная SRAM является наиболее быстрой из существующих видов па­мяти. Причина этого в том, что, если ЦП работает на не слишком большой частоте, синхронная пакетная SRAM может обеспечить полностью синхронную выдачу данных, что означает отсутствие за­держки при пакетном чтении ЦП 2-1-1-1. Когда частота ЦП стано­вится больше 66 МГц, синхронная пакетная SRAM не справляется с нагрузкой и выдает данные пакетами по 3-2-2-2, что существенно медленнее, чем при использовании конвейерной пакетной SRAM. К недостаткам относится и то, что синхронная пакетная SRAM про­изводится меньшим числом компаний и поэтому стоит дороже.

Синхронная пакетная SRAM имеет время адрес/данные от 8,5 до 12 не.

РВ SRAM (Конвейерная пакетная статическая память). Конвей­ер - распараллеливание операций SRAM с использованием вход­ных и выходных регистров. Заполнение регистров требует дополни­тельного начального цикла, но, будучи заполненными, регистры обеспечивают быстрый переход к следующему адресу за то время, пока по текущему адресу считываются данные.

Благодаря этому такая память является наиболее быстрой кэш-памятью для систем с производительностью шины более 75 МГц. РВ SRAM может работать при частоте шины до 133 МГц. Она, кроме того, работает ненамного медленнее, чем синхронная пакетная SRAM при использовании в медленных системах: она вы­дает данные пакетами по 3-1-1-1 все время. Время адрес/данные со­ставляет от 4,5 до 8 нс.

1-Т SRAM. Традиционные конструкции SRAM используют для запоминания одного разряда (ячейки) статический триггер. Для реа­лизации одной такой схемы на плате должно быть размещено от че­тырех до шести транзисторов (4-Т, 6-Т SRAM). Фирма Monolithic System Technology (MoSys) объявила о создании нового типа памя­ти, в которой каждый разряд реализован на одном транзисторе (1-Т SRAM). Фактически здесь применяется технология DRAM, по­скольку приходится осуществлять периодическую регенерацию па­мяти. Однако интерфейс с памятью выполнен в стандарте SRAM, при этом циклы регенерации скрыты от контроллера памяти. Схе­мы 1-Т позволяют снизить размер кремниевого кристалла на 50-80 % по сравнению с аналогичными для SRAM, а потребление электроэнергии - на 75 %.

Системы видеопамяти

Известны следующие типы видеопамяти (табл. 2.1, здесь отражены также некоторые из вышеперечисленных универсальных сиетем памяти). VRAM (Video RAM - видеоОЗУ) - так называемая двухпортовая DRAM. Этот тип памяти обеспечивает доступ к данным со стороны сразу двух устройств, т. е. есть возможность одновременно писать данные в какую-либо ячейку памяти и одновременно с этим читать данные из какой-нибудь соседней ячейки. За счет этого по­зволяет совмещать во времени вывод изображения на экран и его обработку в видеопамяти, что сокращает задержки при доступе и увеличивает скорость работы.

WRAM (Window RAM) - вариант VRAM, с увеличенной на -25 % пропускной способностью и поддержкой некоторых часто применяемых функций, таких как отображение шрифтов, переме­щение блоков изображения и т. п. Применяется практически только на акселераторах фирм Matrox и Number Nine, поскольку требует специальных методов доступа и обработки данных, наличие всего одного производителя данного типа памяти (Samsung) сильно со­кратило возможности ее использования. Видеоадаптеры, построен­ные с использованием данного типа памяти, не имеют тенденции к падению производительности при установке больших разрешений и частот обновления экрана.

SGRAM (Synchronous Graphics RAM - синхронное графическое ОЗУ) - вариант DRAM с синхронным доступом. В принципе, ра­бота SGRAM полностью аналогична SDRAM, но дополнительно поддерживаются еще некоторые специфические функции, типа бло­ковой и масочной записи. В отличие от VRAM и WRAM, SGRAM является однопортовой, однако может открывать две страницы па­мяти как одну, эмулируя двухпортовость других типов видеопамяти.

MDRAM (Multibank DRAM - многобанковое ОЗУ) - вариант DRAM, разработанный фирмой MoSys, организованный в виде множества независимых банков объемом по 32 Кбайт каждый, ра­ботающих в конвейерном режиме, и использующий распараллели­вание операций доступа к данным между большим количеством банков памяти.

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

УНИВЕРСИТЕТ "ТУРАН"

Кафедра "информационных технологий"

тема:"Статическая память"

Выполнил: Айнакулов Д.А. 3курс, "ИС" 9 гр. Проверила: ЗиятбековаГ.З.

Алматы 2009 г.

1. Введение

2. Статическая память

4. Типы статической памяти

5. Заключение

1. Введение

Персональные компьютеры PC сегодня стали незаменимыми помощниками человека во всех без исключения сферах человеческой деятельности. На компьютерах рассчитывают заработную плату и объем урожая, рисуют графики движения товаров и изменения общественного мнения, проектируют атомные реакторы и т.д.

Слово "компьютер" означает "вычислитель". Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. В настоящее время индустрия производства компьютерного железа 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; компьютерное железо адаптивно 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. Обычно IBM-совместимые ПК состоят из трех частей (блоков): системного блока; монитора (дисплея); клавиатуры (устройства, позволяющего вводить символы в компьютер). Развитие электронной промышленности осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через один год, сегодняшнее "чудо техники" становится морально устаревшим вследствие того, что компьютерное железо постоянно модифицируется, появляется новое программное обеспечение. Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того момента, как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств.

2. Статическая память

Статическая память, или SRAM (Statistic RAM) является наиболее производительным типом памяти. Микросхемы SRAM применяются для кэширования оперативной памяти, в которой используются микросхемы динамической памяти, а также для кэширования данных в механических устройствах хранения информации, в блоках памяти видеоадаптеров и т. д. Фактически, микросхемы SRAM используются там, где необходимый объем памяти не очень велик, но высоки требования к быстродействию, а раз так, то оправдано использование дорогостоящих микросхем. В персональных компьютерах с процессорами, у которых не было интегрированной на кристалле кэш-памяти второго уровня, всегда использовались микросхемы SRAM внешнего кэша. Для удешевления системных плат и возможности их модернизации производители системных плат с процессорами 486 и первых поколений Pentium устанавливали специальные кроватки (разъемы для микросхем с DIP-корпусом), в которые можно было устанавливать различные микросхемы SRAM, отличающиеся как по быстродействию и объему памяти, так и различной разрядностью. Для конфигурирования памяти на системной плате предусматривался набор джамперов. Для справки прямо на системной плате краской наносилась информация об установке джамперов, например, как показано в табл.(в колонках JS1 и JS2 указаны номера контактов, которые надо замкнуть перемычками).

Пример таблицы конфигурирования кэш-памяти на системной плате

Size	SRAM	JS1	JS2
256 К	32x8	1-2	1-2
512 К	64x8	2-3	1-2
1 М	128x8	2-3	2-3

Отметим, что изменением конфигурации кэш-памяти занимались только тогда, когда выходила из строя какая-либо микросхема кэш-памяти. В остальных случаях изменять положение джамперов не рекомендовалось. В дальнейшем, по мере разработки более совершенных микросхем SRAM, они непосредственно припаивались на системную плату в количестве 1, 2 или 4 штук. На системных платах, которые выпускаются в настоящее время, микросхемы SRAM используются, в основном, только для кэширования ввода/вывода и других системных функций.

3. Устройство матрицы статической памяти

Подобно ячейкам динамической, триггеры объединяются в единую матрицу, состоящую из строк (row) и столбцов (column), последние из которых так же называются битами (bit).

В отличии от ячейки динамической памяти, для управления которой достаточно всего одного ключевого транзистора, ячейка статической памяти управляется как минимум двумя. Это не покажется удивительным, если вспомнить, что триггер, в отличии от конденсатора, имеет раздельные входы для записи логического нуля и единицы соответственно. Таким образом, на ячейку статической памяти расходуется целых восемь транзисторов (см. рис.1) - четыре идут, собственно, на сам триггер и еще два - на управляющие "защелки".

Рис. 1. Устройство 6-транзистроной одно-портовой ячейки SRAM-памяти

Причем, шесть транзисторов на ячейку - это еще не предел! Существуют и более сложные конструкции! Основной недостаток шести транзисторной ячейки заключается в том, что в каждый момент времени может обрабатываться всего лишь одна строка матрицы памяти. Параллельное чтение ячеек, расположенных в различных строках одного и того же банка невозможно, равно как невозможно и чтение одной ячейки одновременно с записью другой.

Этого ограничения лишена многопортовая память. Каждая ячейка многопортовой памяти содержит один-единственный триггер, но имеет несколько комплектов управляющих транзисторов, каждый из которых подключен к "своим" линиям ROW и BIT, благодаря чему различные ячейки матрицы могут обрабатываться независимо. Такой подход намного более прогрессивен, чем деление памяти на банки. Ведь, в последнем случае параллелизм достигается лишь при обращении к ячейкам различных банков, что не всегда выполнимо, а много портовая память допускает одновременную обработку любых ячеек, избавляя программиста от необходимости вникать в особенности ее архитектуры.

Наиболее часто встречается двух - портовая память, устройство ячейки которой изображено на рис. 2. (внимание! это совсем не та память которая, в частности, применяется в кэше первого уровня микропроцессоров Intel Pentium). Нетрудно подсчитать, что для создания одной ячейки двух - портовой памяти расходуется аж восемь транзисторов. Пусть емкость кэш-памяти составляет 32 Кб, тогда только на одно ядро уйдет свыше двух миллионов транзисторов!

Рис. 2. Устройство 8-транзистроной двух портовой ячейки SRAM-памяти

Рис. 3. Ячейка динамической памяти воплощенная в кристалле

4. Типы статической памяти

Существует как минимум три типа статической памяти: асинхронная, синхронная и конвейерная. Все они практически ничем не отличаются от соответствующих им типов динамической памяти.

Асинхронная статическая память

Асинхронная статическая память работает независимо от контроллера и потому, контроллер не может быть уверен, что окончание цикла обмена совпадет с началом очередного тактового импульса. В результате, цикл обмена удлиняется по крайней мере на один такт, снижая тем самым эффективную производительность. "Благодаря" последнему обстоятельству, в настоящее время асинхронная память практически нигде не применяется (последними компьютерами, на которых она еще использовались в качестве кэша второго уровня, стали "трешки" - машины, построенные на базе процессора Intel 80386).

Синхронная статическая память

Синхронная статическая память выполняет все операции одновременно с тактовыми сигналами, в результате чего время доступа к ячейке укладывается в один-единственный такт. Именно на синхронной статической памяти реализуется кэш первого уровня современных процессоров.

Конвейерная статическая память

Конвейерная статическая память представляет собой синхронную статическую память, оснащенную специальными "защелками", удерживающими линии данных, что позволяет читать (записывать) содержимое одной ячейки параллельно с передачей адреса другой.

Так же, конвейерная память может обрабатывать несколько смежных ячеек за один рабочий цикл. Достаточно передать лишь адрес первой ячейки пакета, а адреса остальных микросхема вычислит самостоятельно, - только успевай подавать (забирать) записывание (считанные) данные!

За счет большей аппаратной сложности конвейерной памяти, время доступа к первой ячейке пакета увеличивается на один такт, однако, это практически не снижает производительности, т.к. все последующие ячейки пакета обрабатываются без задержек.

Конвейерная статическая память используется в частности в кэше второго уровня микропроцессоров Pentium-II и ее формула выглядит так: 2-1-1-1.

5. Заключение

История создания статической памяти уходит своими корнями в глубину веков. Память первых релейных компьютеров по своей природе была статической и долгое время не претерпевала практически никаких изменений - менялась лишь элементарная база: на смену реле пришли электронные лампы, впоследствии вытесненные сначала транзисторами, а затем TTL- и CMOS-микросхемами: но идея, лежащая в основе статической памяти, была и остается прежней...

К сожалению, между человеком и компьютером стоит трудно преодолимая для многих преграда - различия в способах ввода, обработки и вывода информации. Соответственно, специалистов, которые отлично разбираются в компьютерном железе, не так много, и они всегда на вес золота.

Так как многие любят собирать компьютер самостоятельно, на сайте приведены самые важные сведения о способах сборки и настройки системного блока. Ведь чтобы собрать что-либо толковое, полезное для использования, надо достаточно ясно представлять, что собираешь, для какой области применения и, конечно, из каких узлов. Примерно так можно сформулировать все многообразие вопросов, возникающих перед человеком, когда он решит не купить готовый компьютер, а собрать его собственными руками выбирая то "железо", которое ему необходимо. В связи со стремительным развитие компьютерных технологий а также вследствие того, что компьютерное железо постоянно модифицируется и в прадажу постоянно поступают новые модели, некоторая информация, приведенная на сайте, постепенно теряет свою актуальность.

Список использованной литературы

1. Информатика. Учебное пособие /Ломтадзе В.В., Шишкина Л.П. – Иркутск: ИрГТУ, 1999. – 116с.

2. Информатика. Учебное пособие /Под ред. В.Г. Кирия. – Иркутск: ИрГТУ,1998 часть 2. – 382с.

3. Макарова Н.В. Информатика.- Москва: Финансы и статистика, 1997.

4. Горев А., Ахаян Р., Макашарипов С. Эффективная работа с СУБД. СПб.: Питер, 1997.

Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) -- полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала без постоянной перезаписи, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти. Произвольный доступ (RAM -- random access memory) -- возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (тритов) (чаще байтов (трайтов), зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM -- sequental access memory).

Двоичная SRAM

Рис. 1.

Типичная ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на КМОП-технологии состоит из двух перекрёстно (кольцом) включённых инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке (рис. 1.). Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

Линия WL (Word Line) управляет двумя транзисторами доступа. Линии BL и BL (Bit Line) -- битовые линии, используются и для записи данных и для чтения данных.

Запись. При подаче «0» на линию BL или BL параллельно включенные транзисторные пары (M5 и M1) и (M6 и M3) образуют логические схемы 2ИЛИ, последующая подача «1» на линию WL открывает транзистор M5 или M6, что приводит к соответствующему переключению триггера.

Чтение. При подаче «1» на линию WL открываются транзисторы M5 и M6, уровни записанные в триггере выставляются на линии BL и BL и попадают на схемы чтения.

Восьмитранзисторная ячейка двоичной SRAM описана в .

Переключение триггеров через транзисторы доступа является неявной логической функцией приоритетного переключения, которая в явном виде, для двоичных триггеров, строится на двухвходовых логических элементах 2ИЛИ-НЕ или 2И-НЕ. Схема ячейки с явным переключением является обычным RS-триггером. При явной схеме переключения линии чтения и записи разделяются, отпадает нужда в транзисторах доступа (по 2 транзистора на 1 ячейку), но в самой ячейке требуются двухзатворные транзисторы.

В настоящее время появилась (!) усовершенствованная схема с отключаемой сигналом записи обратной связью, которая не требует транзисторов нагрузки и соответственно избавлена от высокого потребления энергии при записи.

Троичная SRAM

Рис. 2. Проект троичной SRAM на трёхразрядных однозначных троичных триггерах

Один логический элемент 2ИЛИ-НЕ состоит из двух двухзатворных транзисторов, три -- из шести, плюс три транзистора доступа, всего -- девять транзисторов на одну трёхразрядную ячейку памяти.

Преимущества

· Быстрый доступ. SRAM -- это действительно память произвольного доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.

· Простая схемотехника -- SRAM не требуются сложные контроллеры.

· Возможны очень низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов.

Недостатки

· Высокое энергопотребление.

· Невысокая плотность записи (шесть элементов на бит , вместо двух у DRAM).

· Вследствие чего -- дороговизна килобайта памяти.

Тем не менее, высокое энергопотребление не является принципиальной особенностью SRAM, оно обусловлено высокими скоростями обмена с данным видом внутренней памяти процессора. Энергия потребляется только в момент изменения информации в ячейке SRAM.

Применение

SRAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объём ОЗУ невелик (единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счёт отсутствия сложного контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта время работы подпрограмм и отладка прямо на устройстве.

В устройствах с большим объёмом ОЗУ рабочая память выполняется как DRAM. SRAM"ом же делают регистры и кеш-память.

DRAM (dynamic random access memory) -- тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM), также запоминающее устройство, наиболее широко используемое в качестве ОЗУ современных компьютеров.

Физически память DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Как запоминающее устройство, DRAM-память представляет собой модуль различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъём, необходимый для подключения модуля к материнской плате.

Рис. 3. Рис. 3.1

Физически DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти.

При отсутствии подачи электроэнергии к памяти этого типа происходит разряд конденсаторов, и память опустошается (обнуляется). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов ячеек и сохранения их содержимого, их необходимо периодически подзаряжать, прилагая к ним напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Такое динамическое поддержание заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Конденсаторы заряжают в случае, когда в «ячейку» записывается единичный бит, и разряжают в случае, когда в «ячейку» необходимо записать нулевой бит.

Важным элементом памяти этого типа является чувствительный усилитель (англ. sense amp), подключенный к каждому из столбцов «прямоугольника». Он, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Именно страница является минимальной порцией обмена с динамической памятью, потому что обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

Регенерация

В отличие от статической памяти типа SRAM (англ. static random access memory), которая является конструктивно более сложным и более дорогим типом памяти и используется в основном в кэш-памяти, память DRAM изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости, которые быстро теряют заряд, поэтому информацию приходится обновлять через определённые промежутки времени во избежание потерь данных. Этот процесс называется регенерацией памяти. Он реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или же на кристалле центрального процессора. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка ячеек, и через 8-64 мс обновляются все строки памяти.

Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно тормозит работу системы, поскольку в это время обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, не применяется в современных типах DRAM. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса -- расширенный, пакетный, распределённый; наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

память компьютерный триггер кэш

Триггеры

Триггер (триггерная система) -- класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения.

По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам -- их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти -- скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи. Используется для сверхбыстрого ОЗУ.