Классификация оперативной памяти реферат по программированию и компьютерам , Сочинения из Программирование

Скачай Классификация оперативной памяти реферат по программированию и компьютерам и еще Сочинения в формате PDF Программирование только на Docsity! П Л А Н Память. Классификация оперативной памяти (ОЗУ) Введение 1. Энергозависимая и энергонезависимая память 2. SRAM и DRAM. 2.1. Триггеры. 2.2. Элементная база логики. 2.3. SRAM. Замечания. 2.4. DRAM. Что это такое? 3. Динамическое ОЗУ. 3.1. Устаревшие модификации. 3.1.1. DIP. 3.1.2. SIPP (SIP) —модули памяти. 3.2. SIMM-модули. 3.2.1. Сравнение SIMM-модулей. 3.2.2. Причины повышения скорости работы EDO RAM. 3.3.DIMM 3.3.1. SDRAM. 3.3.2. ESDRAM. 3.3.3. SDRAM II. 3.3.4. SLDRAM. 3.3.5. Память от Rambus (RDRAM, RIMM). 4. Оперативная кэш-память. 5. Постоянное запоминающее устройство. 6. Флэш-память. 7. CMOS-память. 8. Недостатки перезаписываемой памяти. 8.1. Потеря данных в CMOS. 8.2. Потеря данных в flash-памяти. Память. Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ОЗУ). По определению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ОЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера. Классификация оперативной памяти (ОЗУ) Введение Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре (“Информатика в понятиях и терминах”), созданных в сороковых — в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. Поэтому автор приводит некоторую классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям. 1. Энергозависимая и энергонезависимая память ЭВМ первого поколения по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее врем работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. Поэтому требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память. Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Они представляют собой тор, изготовленных из специальных материалов — ферритов. Ферриты характеризуются тем, что петля гистерезиса зависимости их намагниченности от внешнего магнитного пол носит практически прямоугольный характер. Рис. B.1. Диаграмма намагниченности ферритов. Вследствие этого намагниченность этого сердечника меняется скачками (положение двоичного 0 или 1, смотри рисунок B.1.) Поэтому, собрав схему, показанную на рисунке B.2, практически собран простейший элемент памяти емкостью в 1 бит. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытеснятьс энергозависимой — более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всего военных. Рис. B.2. Схема элемента памяти на ферритовых сердечниках. Полупроводниковая память. В отличие от памяти на ферритовых сердечниках полупроводниковая память энергозависимая. Это значит, что при выключении питания ее содержимое теряется. Преимуществами же полупроводниковой памяти перед ее заменителями являются: малая рассеиваемая мощность; высокое быстродействие; компактность. Эти преимущества намного перекрывают недостатки полупроводниковой памяти, что делают ее незаменимой в ОЗУ современных компьютеров. 2. SRAM и DRAM. Полупроводниковая оперативная память в настоящее время делится на статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). Прежде, чем объяснять разницу между ними, рассмотрим эволюцию полупроводниковой памяти за последние сорок лет. 2.1. Триггеры. Триггером называют элемент на транзисторах, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 и 1), а по внешнему сигналу он способен менять состояние [Информатика в понятиях и терминах/М., Просвещение, 1991 г. — 208 с.: ил. — стр. 91]. Таким образом, триггер может служить ячейкой памяти, хранящей один бит информации. Любой триггер можно создать из трех основных логических элементов: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому все, что относится к элементной базе логики, относится и к триггерам. Сама же память, основанная на триггерах, называется статической (SRAM). 2.2. Элементная база логики. РТЛ —резистивно-транзисторна логика. Исторически является первой элеентной базой логики, работающей на ЭВМ второго поколения. Обладает большой рассеивающей мощностью (свыше 100 мВт на логический элемент). Не применялась уже в ЭВМ третьего поколения. ТТЛ, или Т2Л —транзисторно-транзисторна логика. Реализована на биполярных транзисторах. Использовалась в интегральных схемах малой и средней степени интеграции. Обладает временем задержки сигнала в логическом элементе 10— нс, а потребляемая мощность на элемент —10 мВт. ТТЛ-Шотки —это модификация ТТЛ с использованием диода Шотки. Обладает меньшим временем задержки (3 нс) и высокой рассеиваемой мощностью (20 мВт). ИИЛ, или И2Л —интегральная инжекторна логика. Это разновидность ТТЛ, базовым элементом которой являются не биполярные транзисторы одного рода (pnp или npn), а горизонтально расположенного p+n+p транзистора и вертикально расположенного npn транзистора. Это позволяет создать высокую плотность элементов на БИС и СБИС. При этом потребляемая мощность равна 50 мкВт на элемент и время задержки сигнала – 10 нс. ЭСЛ —логические элементы с эмиттерными связями. Эта логика также построена на биполярных транзисторах. Время задержки в них —0,5 —2 нс, потребляема мощность —25 —50 мВт. упростить операции ввода-вывода (в операциях пересылки центральный процессор либо контроллер DMA уже не должен выделять полезную информацию среди служебных стробирующих импульсов и битов четности). В-третьих, все операции ввода/вывода на локальной шине стали управляться одними и теми же синхроимпульсами, что само по себе хорошо. Хотя SDRAM появилась уже давно, использование ее тормозилось высокой (на 33%) ценой по сравнению с EDO RAM. “Звездный час”SDRAM настал в 1997 году, после появления чипсета 440BX, работающего на частоте 100 МГц. Вследствие этого доля рынка SDRAM за год выросла в два раза (с 25% в 1997 году до 50% в 1998 году.) В настоящее время выпускаютс модули SDRAM, работающие на частотах 100 и 133 МГц. Также разработаны SDRAM на частоты 143 МГц и выше. 3.3.2. ESDRAM. Следующим оригинальным решением, увеличившим частоту работы SDRAM, явилось создание кэша SRAM на самом модуле динамического ОЗУ. Так появилась спецификация Enhanced SDRAM (ESDRAM). Это позволило поднять частоту работы модуля до 200 МГц. Назначение кэша на модуле точно такое же, что и кэш второго уровн процессора —хранение наиболее часто используемых данных. 3.3.3. SDRAM II. Рис. B.3.7. Модуль памяти DDR DRAM (SDRAM II) Спецификация SDRAM II (или DDR SDRAM) не имеет полной совместимости с SDRAM. Эта спецификаци позволяет увеличить частоту работы SDRAM за счет работы на обеих границах тактового сигнала, то есть на подъеме и спаде. Однако SDRAM II использует тот же 168-ми контактный разъем DIMM. 3.3.4. SLDRAM. Как и SDRAM II, эта спецификаци использует обе границы тактового сигнала и имеет в себе SRAM. Однако благодаря протоколу SynchLink Interface эта память способна работать на частоте до 400 МГц. 3.3.5. Память от Rambus (RDRAM, RIMM). Рис. B.3.8. Модуль памяти RDRAM (RIMM) RDRAM представляет собой спецификацию, созданную и запатентованную фирмой Rambus, Inc. За счет использования обоих границ сигнала достигается частота работы памяти в 800 МГц. Подсистема памяти Direct Rambus включает в себя следующие компоненты [Евгений Калугин. Типы памяти.//”Подводная лодка”, январь 2000 г., стр. 166—.]: Direct Rambus Controller. Direct Rambus Channel. Direct Rambus Connector. Direct Rambus RIMM(tm). Direct Rambus DRAMs. Рассмотрим эти компоненты поподробнее: 1. Контроллер Direct Rambus —это главна шина подсистемы памяти. Он помещается на чипе логики, как и PC-чипсет, микропроцессор, графический контроллер. Физически можно поместить до четырех Direct Rambus —контроллеров на одном чипе логики. Контроллер —это интерфейс между чипом логики и памятью Rambus, и в его обязанности входит генерация запросов, управление потоком данных, и ряд других функций. 2. Direct Rambus Channel создает электрические соединения между Rambus Controller и чипами Direct RIMM. Работа канала основана на 30-ти сигналах, составляющих высокоскоростную шину. Эта шина работает на частоте 400 МГц и, за счет передачи данных на обеих границах тактового сигнала, позволяет передавать данные на 800 МГц. Два канала данных (шириной в байт каждый) позволяет получать пиковую пропускную способность в 1,6 Гбайт/с. Канал соответствует форм- фактору SDRAM. 3. Разъем Direct Rambus —это разъем со 168 контактами. Контакты расположены на двух сторонах модуля, по 84 с каждой стороны. Разъем представляет собой низкоиндуктивный интерфейс между каналом на модуле RIMM и каналом на материнской плате. 4. Модуль RIMM — это модуль памяти, который включает в себя один или более чипов и организует непрерывность канала. По существу, RIMM образует непрерывный канал на пути от одного разъема к другому. Поэтому оставлять свободные разъемы недопустимо Существуют специальные модули только с каналом, называемые continuity modules. Они не содержат чипов памяти и предназначены для заполнени свободных посадочных мест. Модули RIMM имеют размеры, сходные с геометрическими размерами SDRAM DIMMs. Модули RIMM поддерживают SPD, которые используются на DIMM'ах SDRAM. В отличие от SDRAM DIMM, Direct Rambus может содержать любое целое число чипов Direct RDRAM (до максимально возможного). Один канал Direct Rambus максимум может поддерживать 32 чипа DRDRAM. На материнской плате может использоваться до трех RIMM модулей. Используются 64 Мбит, 128 Мбит и 256 Мбит устройства. Чтобы расширить память сверх 32-х устройств, могут использоваться два чипа повторителя. С одним повторителем канал может поддерживать 64 устройства с 6-ю RIMM модулями, а с двумя —128 устройств на 12 модулях. 5. Чипы DRDRAM. Чипы DRDRAM составляют часть подсистемы Rambus, запоминающие данные. Все устройства в системе электрически расположены в канале между контроллером и терминатором. Устройства Direct Rambus могут только отвечать на запросы контроллера, который делает их шину подчиненной или отвечающей. Устройства включают в себя статическое и динамическое ОЗУ. 4. Оперативная кэш-память. Как уже отмечалось, для динамической оперативной памяти необходима периодическая ее регенерация. В компьютере это осуществляетс централизовано: организуется цикл прямого чтения/записи содержимого динамического ОЗУ. Эта операция осуществляется с помощью специальной микросхемы. В процессе регенерации микропроцессор переходит в режим ожидания, что снижает производительность системы не менее чем на 5%. Минимальный цикл обращени микропроцессора к оперативной памяти состоит из двух состояний шины. Подсчитано, что около 70% всех обращений процессора к шине компьютера составляет чтение команд, 20% — чтение и запись данных, и только оставшиеся 10% составляют обращения к устройствам ввода-вывода. Поэтому введение даже одного состояния ожидания при обращении к памяти значительно снижает производительность компьютера. Таким образом, существенный рост быстродействия системы может быть достигнут только при сбалансированной работе подсистемы памяти. Для старых персональных компьютеров (на основе микропроцессоров Intel i8088, i8086, i80286 и процессоре i80386/20 МГц) была характерна одноуровневая система организации памяти. По этой системе разработчики были вынуждены устанавливать дешевые DRAM с быстродействием 80 —120 нс, либо применять дорогостоящие SRAM с быстродействием 40 —60 нс. Для сокращени среднего времени ожидания при обращении к операционной системе использовались (и используются в настоящее время) методы интерливинга и страничной организации. Рис. B.4.1. Система с интерливингом памяти. В системе с интерливингом — расслоением адресов ячеек памяти —весь объем памяти делится на два или несколько банков. Двойные слова с последовательными адресами располагаются в разных банках. Во время считывания информации из оперативной памяти за один цикл можно организовать параллельное извлечение информации из разных блоков, что уменьшает количество циклов ожидания. Преимущество систем с интерливингом проявляется при обращении к последовательным ячейкам и считывании сразу 32-х бит информации. В противном случае интерливинг не дает никаких преимуществ. Рис. B.4.2. Система со страничной организации памяти. В системах со страничной организацией памяти вся память делится на фиксированные по размеру зоны адресов —страницы. Обращение к памяти в пределах страницы происходит без ожидания, а при смене страницы —как обычно, с состояниями ожидания. При страничной организации память делится на строки и столбцы. Адрес обращения к двойному слову содержит 9-ти разрядный номер строки и 9-ти разрядный номер столбца. При обращении к странице сигнал выбора номера строки поддерживается неизменным, а сигнал выбора столбца переставляется на столбец, откуда нужно прочитать данные. Страничная организация памяти требует для своей реализации особые микросхемы. Они имеют специальный режим – страничный доступ со статической выборкой столбцов (static column decode). Для полной реализации потенциальных скоростных возможностей микропроцессоров используется многоуровневая иерархическа память. Она включает в себя быстродействующую кэш-память – SRAM. Кэш-память состоит из памяти данных, построенная на микросхемах SRAM, и контроллера кэша. В кэш-памяти хранитс информация, копируемая из основной оперативной памяти. Каждый раз при обращении микропроцессора к памяти контроллер кэш-памяти проверяет наличие данных в кэше. Если эти данные в кэше есть (“попадание”), то микропроцессор получает данные из кэша. Если этих данных нет (“промах”), выполняется обычный цикл обращения к оперативной памяти DRAM. Основным фактором, определяющим вероятность попадания, является емкость кэш-памяти. Как правило, при объеме кэша в 2 Кбайта вероятность попадания составляет от 50 до 60%. Поскольку размер кэш-памяти на современных компьютерах превышает 256 Кбайт, то вероятность попадания будет выше 90% (дл компьютеров с объемом памяти ~ 16 Мбайт.) Для реализации кэш-памяти в настоящее время разработаны эффективные однокристальные контроллеры. Наиболее широкое распространени получили контроллеры i82385 фирмы Intel и A38152 фирмы Asustec Microsystems. Контроллер i82385 поддерживает 32 Кбайта кэш-памяти, и может работать в двух конфигурациях: Кэш-память с прямым отображением. Двухканальная модульно-ассоциативна кэш-память. Первая конфигурация характеризуетс простотой реализации, однако она оказываетс неэффективной при работе в мультизадачных системах. В двухканальной реализации кэш-память разбивает все 4 Гбайтное адресное пространство на 262144 страницы по 16 Кбайт. 32-х разрядный физический адрес состоит из четырнадцатиразрядного адреса, определяющего информацию в кэш-памяти, и восемнадцатиразрядного тега, определяющего номер страницы. Каждый адрес оперативной памяти может быть отображен в одну из двух ячеек кэш-памяти. На рисунке B.4.3 рассматриваетс образование физического адреса в двухканальной модульно- ассоциативной памяти. Рис. B.4.3. Двухканальна модульно-ассоциативная кэш-память. Особенность контроллера кэш- памяти – обеспечение возможности параллельной работы микропроцессора с кэш- памятью и периферийных устройств с оперативной памятью в режиме прямого доступа. При записи данных по адресам, находящихся в кэше, контроллер ликвидирует копии этих блоков в кэше. Всю работу по синхронизации данных в DRAM и кэше берет на себя этот контроллер. Однокристальный контроллер кэш-памяти фирмы ASUSTEC, совместно с памятью данных 32 Кбайта обеспечивает вероятность попадания более 95%. Это достигается благодаря использованию четырехканального модульно-ассоциативного обращения, который отображает адрес оперативной памяти в одну из четырех ячеек кэш-памяти. При этом, вследствие организации последовательного обращения к памяти данных, требуется подключени всего одного банка памяти данных. Контроллер A38152 фирмы Asustec имеет аппаратные и программные средства, обеспечивающие связанность информации: логика слежения за шиной, которая обеспечивает ликвидацию копий блоков в кэш-памяти, задани области адресов, не отображаемой в кэш-память (например, для сопроцессора фирмы Weitec и устройств ввода/вывода). На многих материнских платах можно выбирать между одноуровневой или многоуровневой системами организации памяти. По умолчанию устанавливается ражим многоуровневой памяти. Если Вы установите режим одноуровневой памяти, то кэш- память SRAM просто добавляется к адресному пространству основной оперативной памяти. Одноуровневую память лучше использовать, когда внутренний кэш процессора по объему превосходит емкость кэш-памяти на материнской плате. ...Уже до появления микропроцессора i80486 фирмы Intel стало ясно, что скорость обмена данных процессор-память по системной шине происходит очень медленно даже при использовании внешней кэш-памяти. Поэтому уже в микропроцессоре i80486 фирма Intel стала использовать кэш-память, находящейся в самом процессоре. В процессоре i80486 осуществляется кэширование системных регистров —путем введения “теневых" регистров. Когда программа загружает селектор в системный регистр, процессор автоматически считывает (“кэширует”) нужный системный регистр в теневом регистре. После этого обращения к памяти достаточно сложить эффективный адрес с базовым адресом сегмента в теневом реестре, и получить линейный адрес. Это так называемый кэш первого уровня. В микропроцессоре Pentium кэшированию стали подвергать не только системные регистры, но и регистры данных и предвыборки команд. Логическим продолжением явилось размещение кэш-памяти и ее контроллера не на материнской плате, а на самом процессоре. При этом решаются две задачи: Упрощение шины передачи данных. Появилась возможность работы кэш-памяти не на частоте шины, а на частоте процессора. При этом скорость работы кэш- памяти увеличивается. Исходя из всего этого, в микропроцессоре Pentium стала использоватьс встроенная в него кэш-память второго уровня. Благодаря ней скорость работы процессора на тех же системных платах возросла. Необходимо, однако, отметить, что изготовление кэш-памяти второго уровня на кристалле процессора намного усложняет стоимость самого микропроцессора. Именно для недорогих моделей компьютеров фирма Intel стала изготовлять процессоры без кэша второго уровня или с кэш- памятью меньшего размера. Примером такого процессора являетс процессор Intel Celeron. Он аналогичен процессору Intel Pentium II, однако либо не содержит кэш второго уровня (в первых моделях), либо он небольшой (в новых версиях этого процессора.) Благодаря этому упала его цена и производительность. Примечание: в связи с выходом микропроцессора Intel Pentium 4 корпорация Intel снимает с производства в 2001 году микропроцессора Intel Celeron. 5. Постоянное запоминающее устройство. Кроме оперативной памяти, под термином "память" мы будем подразумевать постоянную и CMOS - память. К постоянной памяти относят постоянное запоминающее устройство, ПЗУ (в англоязычной литературе - Read Only Memory, ROM, что дословно перводится как "память только для чтения"), перепрограммируемое ПЗУ, ППЗУ (в англоязычной литературе – Programmable Read Only Memory, PROM), и флэш-память (flash memory). Название ПЗУ говорит само за себя. Информация в ПЗУ записывается на заводе-изготовителе микросхем памяти, и в дальнейшем изменить ее значение нельзя. В ПЗУ хранится критически важная для компьютера информация, которая не зависит от выбора операционной системы. Программируемое ПЗУ отличается от обычного тем, что информация на этой микросхеме может стираться специальными методами (например, лучами ультрафиолета), после чего пользователь может повторно записать на нее информацию. Эту информацию будетневозможно удалить до следующей операции стирания информации. 6. Флэш-память. Особо следует рассказать о флэш-памяти. Flash по-английски – это "вспышка, проблеск". Флэш-память является энергонезависимой памятью, (как и ПЗУ и ППЗУ). При выключении компьютера ее содержимое сохраняется. Однако содержимое flash-памяти можнр многократно перезаписывать, не вынимая ее из компьютера (в отличие от ППЗУ). Запись происходит медленнее, чем считывание, и осуществляется импульсами повышенного напряжения. Вследcтвие этого, а также из-за ее стоимости, флэш память не заменит микросхемы ОЗУ. 7. CMOS-память. CMOS-память – энергозависимая, перезаписываемая память, которая при своей работе , однако, почти не потребляет энергии. CMOS переводится как complementary metal oxode semiconductor – "комплиментарный металл - оксид - полупроводниковый". Достоинства этой памяти – низкое потребление энергии, высокое быстродействие. В CMOS - памяти компьютера находятся важные для его работы настройки, которые пользователь может менять для оптимизации работы компьютера. Питается эта память от небольшого аккумулятора, встроенного в материнскую плату. 8. Недостатки перезаписываемой памяти. Основной недостаток ПЗУ – невозможность обновить информацию в этом виде памяти, – одновременно является и его преимуществом: данные невозможно потерять случайно и умышленно. Особенно это стало актуальным на рубехе XX – XXI веков, с вытеснением микросхем ПЗУ на CMOS и flash-память. Рассмотрим возникающие проблемы. 8.1. Потеря данных в CMOS. Компьютеры с ISA шиной (содержащие процессоры вплоть до i80286), имели минимум настроек. Часто они вполне нормально работали в своей основной конфигурации.