Оперативная память вычислительной машины (модули памяти ). Типы модулей и их параметры.

ОЗУ, оперативное запоминающее устройство с оперативной памятью (RAM, Random Access Memory) - памятью с произвольным доступом (английский термин), определяет допустимый объём и скорость одновременно выполняемых процедур. Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи или чтения с любой ячейкой ОЗУ в произвольном порядке.

Самые первые ЭВМ имели память на ртутных линиях задержки или электронно-лучевых трубках. Эти экзотические устройства были быстро вытеснены запоминающими устройствами на магнитных сердечниках, которые получили широкое распространение и применялись довольно долго. Намагниченное состояние небольшого ферритового кольца, которое служило элементом для запоминания одного бита информации, соответствовало единице, ненамагниченное — нулю.

Наконец, развитие технологий интегальной микроэлектроники позволило изготовить компактную полупроводниковую память, которая в данный момент и применяется в компьютерах. До последних лет из микросхем памяти использовали два основных типа: статическую (SRAM - Static RAM) и динамическую (DRAM - Dynamic RAM).

При выключении компьютера вся информация, которая находилась в оперативной памяти компьютера, безвозвратно теряется.

ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

Память динамического типа

Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариантах два конденсатора). Такой вид памяти, во-первых, дешевле (один конденсатор и один транзистор на 1 бит дешевле нескольких транзисторов триггера), и, во-вторых, занимает меньшую площадь на кристалле (там, где в SRAM размещается один триггер, хранящий 1 бит, можно разместить несколько конденсаторов и транзисторов для хранения нескольких бит). Но DRAM имеет и недостатки. Во-первых, работает медленнее, поскольку, если в SRAM изменение управляющего напряжения на входе триггера сразу очень быстро изменяет его состояние, то для того, чтобы изменить состояние конденсатора, его нужно зарядить или разрядить. Перезаряд конденсатора гораздо более длителен (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если ёмкость конденсатора очень мала. Второй существенный недостаток — конденсаторы со временем разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их электрическая ёмкость и больше ток утечки, в основном, утечка через ключ.

Именно из-за того, что заряд конденсатора динамически уменьшается во времени, память на конденсаторах получила своё название DRAM — динамическая память. Поэтому, дабы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов периодически восстанавливается («регенерируется») через определённое время, называемое циклом регенерации (обычно 2 мс). Для регенерации в современных микросхемах достаточно выполнить циклограмму «чтения» по всем строкам запоминающей матрицы. Процедуру регенерации выполняет процессор или контроллер памяти. Так как для регенерации памяти периодически приостанавливается обращение к памяти, это снижает среднюю скорость обмена с этим видом ОЗУ.

Память статического типа

ОЗУ, которое не надо регенерировать (обычно схемотехнически выполненное в виде массива триггеров), называют статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры являются соединением нескольких логических вентилей, а время задержки на вентиль 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, чем ячейка динамической памяти, даже если они изготавливаются групповым методом миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше площади на кристалле, чем ячейка динамической памяти, поскольку триггер состоит минимум из 2 вентилей (шести-восьми транзисторов), а ячейка динамической памяти — только из одного транзистора и одного конденсатора. Используется для организации сверхбыстродействующего ОЗУ, обмен информацией с которым критичен для производительности системы.

Модули памяти

В самые первые персональные компьютеры память устанавливали непосредственно чипами. Разумеется, такой подход имеет ряд недостатков. Во-первых, установка множества чипов памяти на материнскую плату неэффективна с точки зрения использования свободного места; во-вторых, каждый устанавливаемый чип содержит много гибких контактов, таким образом уменьшается надежность, так как неконтакт хотя бы одного чипа приводит к неработоспособности всей системы.

Чипы памяти стали размещать на так называемых модулях памяти: маленьких платках с контактными площадками, которые устанавливались в материнскую плату в специальные разъемы. Модули помогают решить обе описанные выше проблемы: обычно они устанавливаются в материнскую плату вертикально, что позволяет решить проблему свободного места, во вторых, между модулем памяти и разъемом обычно надежный электрический контакт.

Самым первым модулем, который использовался в PC, был так называемы модуль SIMM 30pin (Single Inline Memory Module, Модуль Памяти с Односторонним Расположением контактов, имевший 30 контактных площадок). Рассмотрев такой модуль, можно заметить, что контактные площадки расположены у модуля с обеих сторон, но с обратной стороны модуля за счет внутренней металлизации контактных площадок происходит их дублирование, т.е. все же у модуля одностороннее расположение контактов.

Каковы характеристики модуля? А чем вообще можно характеризовать модуль, если все его параметры, такие как тип и объем памяти, быстродействие, зависят в первую очередь от припаянных на модуль чипов? Но есть по крайней мере один параметр, который характеризует именно модуль. Этот параметр - разрядность модуля, т.е. ширина той шины, по которой происходит доступ к конкретному модулю, или количество контактов, по которым передаются биты данных. (Например, модуль с 30 ножками, естественно, не может обеспечить 32-битный обмен данными - для этого нужно только 32 ножки для передачи данных, а ведь еще питание, адресация и т.д.). Т.е., модули друг от друга в первую очередь отличаются разрядностью. Разрядность модуля SIMM 30 pin составляет 8 бит (на самом деле 9 бит, но последний, девятый бит используется для передачи так называемых данных четности). Модуль SIMM 30 pin (иногда еще называют: короткий SIMM) использовался в 286, 386 и 486 системах. Рассмотрим применение короткого модуля SIMM на примере 386 системы. Ширина шины, связывающая 386 процессор с памятью, составляет 32 бита. Можно ли в такой системе в качестве оперативной памяти использовать 1 SIMM 30 pin? Представьте себе: процессор использует для связи с памятью шину, в которой данные передаются по 32 проводам. Будет ли система работать, если из этих проводов задействовать только 8? Разумеется, нет! Естественно, что в системе должна использоваться 32-битная память, а иначе процессор не сможет работать с памятью. Но как реализовать 32-битную память, если в Вашем распоряжении только 8-битные модули? Нужно использовать несколько модулей одновременно! Фактически, минимальной единицей оперативной памяти системы можно считать совокупность модулей памяти, полностью "закрывающих" шину память - процессор. В 386 системе при использовании SIMM 30 pin (шириной 8 бит каждый модуль), нужно одновременно использовать кратное четырем количество модулей для того, чтобы обеспечить работоспособность системы. Поэтому на материнских платах тех времен количество разъемов под короткие SIMMы было всегда кратно четырем: 4 или 8 штук. Совокупность разъемов, полностью закрывающих шину память - процессор называется банк памяти. То, о чем мы говорили только что, можно сказать следующим образом: в системе память всегда должна устанавливаться только банками, и хотя бы один банк должен быть установлен.

Неудобства использования 30 pin SIMM в системах 386 и 486 вполне очевидны: банк памяти состоит из четырех модулей. Поэтому был разработан новый тип модуля: SIMM 72 pin. Такой модуль, как ясно из названия, так же имел контакты, расположенные с одной стороны модуля (Single Inline) и при этом увеличившееся количество контактных площадок позволило сделать ширину шины модуля 32 бит (на самом деле 36 бит, остальные снова для данных четности). Стало быть, в 486 системах, у которых ширина шины обмена процессор - память составляла 32 бита, банком памяти являлся единственный модуль памяти SIMM 72 pin. Таким образом, в 486 системы можно было устанавливать либо по 4 30pin SIMMa, либо по одному 72 pin SIMM (который иногда называли длинный SIMM).

С выходом процессора Pentium, у которого ширина шины память - процессор увеличивается до 64 бит, снова возникает ситуация, когда банк не равен модулю. В Pentium-системы память при использовании 72pin SIMM снова необходимо устанавливать парами. Для решения этой проблемы, а точнее для применения уже упоминавшейся нами SDRAM, был разработан новый тип модуля: DIMM 168 pin (Dual Inline Memory Module). Как ясно из названия, у этого модуля 168 контактных площадок, расположенных по обеим сторонам модуля, по 84 с каждой стороны. Модуль DIMM 168 pin является 64-битным, и использование единственного модуля DIMM позволяет закрыть шину память - процессор для процессора Pentium, как, впрочем, и для любого современного процессора. Таким образом, в современную систему можно вставлять модули DIMM 168 pin по одному или 72pin SIMM парами. 30 pin SIMM уже весьма давно полностью вышли из употребления, длинные же SIMM сегодня применяются крайне редко. Наиболее часто используемый тип модуля сегодня - модуль DIMM.

Обращаю Ваше внимание на то, что нужно очень четко различать и не смешивать типы памяти (DRAM, FPM, EDO, SDRAM etc) и модули памяти (SIMM30, SIMM72, DIMM168).