Организация оперативной памяти. Основные принципы

Запоминающие устройства (ЗУ), именуемые также устройствами памяти, предназначены для хранения данных. Основными характеристиками ЗУ являются:

Ø емкость памяти, измеряемая в битах либо байтах,

Ø методы доступа к данным;

Ø быстродействие (время обращения к устройству);

Ø надежность работы, характеризуемая зависимостью от окружающей среды и колебаний напряжения питания;

Ø стоимость единицы памяти.

Основные принципы построения ОЗУ

Методы аппаратной реализации оперативной памяти. В большинстве случаев основная оперативная память — RAM (Random Access Memory, т. e. память с произвольным доступом). ПЭВМ строится на микросхемах динамического типа (DRAM — Dynamic Random Access Memory), где в качестве запоминающего элемента (ЗЭ) используется простейшая сборка, состоящая из транзистора и конденсатора. Основными причинами широкого применения этой памяти является высокая плотность интеграции (увеличение числа ЗЭ на чип и сокращение числа чипов, необходимых для одного модуля), малое потребление энергии (тратится минимум энергии на хранение одного бита, уменьшается потребляемая системой мощность, снижается стоимость) и т. д. Но имеются и недостатки — каждый ЗЭ представляет, по сути дела, разряжающийся со временем конденсатор, поэтому, чтобы предотвратить потерю хранящейся в конденсаторах информации, микросхема RAM постоянно должна регенерироваться.

Имеется другой вид памяти, который лишен этого недостатка. Эта память называется статической (Static RAM — SRAM), где в качестве ЗЭ используется так называемый статический триггер, который может хранить данные, пока питание подается на схему. Это отличает ее от динамической оперативной памяти, которая должна регенерироваться с высокой частотой.

SRAM изготовляется по технологии, подобной микропроцессорной — фотогравирование кремния. Каждый бит SRAM требует от четырех до шести транзисторов, чем и объясняется то, почему SRAM занимает намного больше места по сравнению с DRAM, которая требует только один транзистор (плюс конденсатор).

Следовательно, если бы SRAM устанавливалась в качестве оперативной памяти, то это привело бы к увеличению быстродействия ПК, однако при этом существенно изменилась бы его стоимость, поскольку стоимость микросхемы SRAM значительно выше стоимости DRAM.

Организация ОЗУ. В адресном ОЗУ каждый элемент памяти имеет адрес, соответствующий его пространственному расположению в запоминающей среде. Поэтому, обращение к определенному элементу производится в соответствии с кодом его адреса. В ЗУ после приема кода осуществляется его дешифрация, после чего следует выборка из элемента конкретной группы битов или слов.

В ассоциативном ОЗУ поиск данных происходит по конкретному содержимому, независимо от его адреса. Такой поиск информации идет с использованием определенных признаков, например, ключевых слов, которые связаны с искомыми данными. Ассоциативные устройства, хотя и являются более сложными, обеспечивают более быстрый поиск и выбор хранимых данных.

Необходимо отметить, что все распространенные операционные системы, если для работы нужно больше памяти, чем физически присутствует в компьютере, не прекращают работу, а сбрасывают неиспользуемое в данный момент содержимое памяти в дисковый файл (называемый свопом — swap) и затем по мере необходимости «перегоняют» данные между ОЗУ и свопом. Это гораздо медленнее, чем доступ системы к самой ОЗУ. Поэтому от количества оперативной памяти напрямую зависит скорость системы.

ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ

DRAM (dynamic random access memory — динамическая память с произвольным доступом) — тип компьютерной памяти, отличающийся использованием полупроводниковых материалов, энергозависимостью и возможностью доступа к данным, хранящимся в произвольных ячейках памяти (см. запоминающее устройство с произвольным доступом). Модули памяти с памятью такого типа широко используются в современных компьютерах в качестве оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), также используются в качестве устройств постоянного хранения информации в системах, требовательных к задержкам.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале в виде емкости. Заряженная или разряженная емкость хранит бит данных. Каждая ячейка такой памяти имеет свойство разряжаться (из-за токов утечки и пр.), поэтому их постоянно надо подзаряжать — отсюда название «динамическая» (динамически подзаряжать). Совокупность ячеек образует 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 представляет собой модуль памяти какого-либо конструктивного исполнения, состоящий из печатной платы, на которой расположены микросхемы памяти, и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

Принцип работы

На физическом уровне память DRAM представляет собой набор ячеек, способных хранить информацию. Ячейки состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти. Конденсаторы заряжают при записи в ячейку единичного бита и разряжают при записи в ячейку нулевого бита.

При прекращении подачи электроэнергии конденсаторы разряжаются, и память обнуляется (опустошается). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов (для сохранения данных) конденсаторы необходимо периодически подзаряжать. Подзарядку выполняют путём подачи на конденсаторы напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Необходимость постоянной зарядки конденсаторов (динамическое поддержание заряда конденсаторов) является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM.

Важным элементом памяти типа DRAM является чувствительный усилитель-компаратор (англ. sense amp), подключённый к каждому из столбцов «прямоугольника». При чтении данных из памяти усилитель-компаратор реагирует на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, и считывает одну строку целиком. Чтение и запись выполняются построчно; обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

 

Информационное обеспечение

1. Гребенюк Е.И.,. Гребенюк Н.А, Технические средства информатизации: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. – М.: Изд. центр «Академия», 2016. – 352 с.

2. Единое окно доступа к образовательным ресурсам. Архитектура и аппаратное обеспечение ЭВМ и вычислительных систем. (URL: http://window.edu.ru/catalog/resources?p_rubr=2.2.75.6.17).

 

 

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ: