Беседа:Компютърна памет

Текст без източници

Следващите пасажи са преместени от Микропроцесор, но не са подкрепени с източници

Полупроводникови памети

Основното предназначение на паметта е да съхранява двата вида данни – инструкции и оперативни данни.

Енергонезависимите памети съхраняват програмата и при отсъствие на захранващ източник. Те са интегрирани в чипа на микроконтролерите и на сигналните процесори.

Енергозависимите оперативни запомнящи устройства (ОЗУ), осигуряват бърз обмен на данни, но ги съхраняват само при наличие на захранващ източник.

Във всички видове микропроцесори се използват полупроводникови памети с произволен достъп (Random Access Memory), имащи еднакво време за достъп t_A до всяка произволно адресирана клетка и такива с последователен достъп.

Обща структура на запомнящ блок на памет с голям обем и с произволен достъп. Основен блок е запомнящата матрица, съставена от масив запомнящи клетки, под форма на регистри, с определена разредност.

Всяка клетка (ЗК) притежава два основни атрибута:

1. набор от запомнящи елементи ЗЕ;
2. собствен адрес – двоичен или HEX .

Адресният дешифратор може да „извиква“ всеки случаен адрес винаги за едно и също време t_A, което означава че паметта е с произволен достъп RAM (Random Access Memory“ ).

Обменът на данни (запис W или четене R) се извършва през магистралата за ДАННИ само с адресираната клетка, в такта, когато управляващото устройство е подало сигнал за запис (WЕ) или за четене (RЕ).

Дали паметта е от енергозависим или от енергонезависим тип зависи от структурата и свойствата на запомнящите елементи в матрицата.

При паметите често използвано понятие за съдържанието на клетките е машинна дума.

Елементи на оперативните енергозависими памети

Енергозависимите памети са известни като оперативни защото при тях времената за запис t_W, за четене t_R и за изтриване на данните t_E са минимизирани, в допустимите от технологията граници. Този тип памети са световно популярни като RAM, макар че и болшинството енергонезависими памети също са с произволен достъп.

Регистрите на тези памети са с паралелно въвеждане и извеждане на данните, а по характер на структурата – запомнящите елементи ЗЕ са от статичен (SRAM) или динамичен (DRAM) тип.

Статичните запомнящи елементи съдържат тригер и адресен транзистор, а динамичните запомнящи елементи вместо тригер включват „запомнящ“ MOS кондензатор MOSC. Запомнящите кондензатори на DRAM обаче се саморазреждат след милисекунди, което налага да се въвежда допълнителен блок за опресняване на паметта (Refresh) на енергонезависимите памети

ЗЕ на матрицата на енергонезависимите памети (ROM) съдържат диоди или MOS транзистори като запомнящи елементи. При „класическите“ диодни и MOS ROM еднократният запис се осъществява чрез прекъсване на контакт между диода и шината за четене на данни или между дрейна и шината за четене. При PROM програмирането се осъществява еднократно от самия потребител с помощта на програматор.

Енергонезависимите репрограмируеми памети ЕPROM, EEPROM, Flash ROM и SSD (Solid Sate Drives) съдържат аналогична матрица, но със специална конструкция – FGMOS транзистори (Floating Gate MOS). Тези транзистори имат две стабилни нива на праговите напрежения – ниско U_TL или високо U_TH, които се запазват и след изключване на захранващото напрежение. Само транзисторът, програмиран с ниско прагово напрежение, се задейства от адресния сигнал. „Изтриването“ на данните е отделна операция, която възстановява праговото напрежение U_T на всички транзистори до едно от праговите напрежения. Записът на нови данни също е отделна операция.

Операциите изтриване и запис се постигат по различни способи:

• при ЕАPROM „изтриването“ е чрез ултравиолетово облъчване, а записът е електрически – чрез програматор;
• при ЕЕPROM изтриването и програмирането (записът) стават изцяло по електрически път с помощта на програматор;
• при Flash ROM изтриването и програмирането (записът) стават изцяло по електрически път но без помощта на програматор. Директно на програмиращите входове на ИС се подават програмиращи импулси с нормирана продължителност и стандартни логически нива. Този тип интегрирани памети се програмират най-удобно и най-бързо. Връзката им към системата е най-често USB.
• полупроводниковите твърди дискове SSD са сериозна алтернатива на твърдите магнитни дискове HDD. При SSD програмирането също се извършва чрез импулси с нормирана продължителност и стандартни логически нива. Връзката им към системата е аналогична на твърдите дискове HDD, но за разлика от тях, SSD не притежават високоскоростни въртящи се механични елементи. Те са безшумни, работят в по-широк температурен обхват, имат по-малки габарити и маса, което ги прави особено подходящи за преносими компактни системи, военна и космическа техника. Все още не са напълно конкурентни на HDD по отношение на максимален капацитет и имат по-ограничен брой цикли запис-изтриване (за сега от порядъка на милиони цикъла).

Характеристика на RAM за GPP

Сравнение между SRAM и DRAM

Компютърните системи изискват оперативна памет с много голям обем и голямо бързодействие, респ. с минимално време за достъп до паметта t_A. Използуват се както статични SRAM, така и динамични DRAM модули. Модулът банка съдържа набор от 8 – 9 ИС на RAM, с обща разредност 32/64/128 бита, разположени върху миниплатка с няколко стотин двуредни изводи. Капацитетът на паметта на модула достига няколко гигабайта.

Статичните ОЗУ (SRAM), притежават следните основни положителни качества

• висока шумоустойчивост;
• възможност за работа при понижено захранващо напрежение;
• възможност за работа при понижени тактови честоти;
• по-слабо влияние от климатични и атмосферни смущения.

Като основен недостатък на SRAM се счита значителният брой транзистори за всеки ЗЕ. По-големият брой транзистори от своя страна определят:

• по-голяма повърхност на ЗЕ и на чипа, което повишава производствената цена
• по-малка информационна плътност (брой ЗЕ на квадратен милиметър от повърхността на чипа).

Основно качество на DRAM е, че всеки ЗЕ заема площта на един MOS транзистор (MOSТ). Това определя неколкократно по-голям обем на паметта за единица площ, респ. много висока информационна плътност. Това е сериозна за предпоставка за значително по-ниска крайна цена и конструиране на DRAM с много голям обем на паметта.

За основни недостатъци на DRAM се считат:

• ниска шумоустойчивост при четене на данните;
• ограничения при работа с понижени тактови честоти;
• по-значително влияние от климатични, атмосферни и радиационни смущения.

Статичните RAM са подходящи за компютърни системи, – подложени на външни електромагнитни и лъчеви влияния: работа в полеви и космически условия, за военни цели, при работа в предприятия със силни електромагнитни излъчвания – електрожени, искри от електродвигатели с четки и др. Те са основен градивен елемент на кеш-паметите.

Динамичните RAM, с по-ниската шумоустойчивост, но и със значително по-ниската цена, са намерили своето огромно приложно поле в лицето на офисните и персоналните компютърни системи.

Основни параметри и развитие на RAM модулни памети В компютърните системи оперативната RAM е изпълнена като конструктивен модул, с набор от 8 до 18 ИС, монтирани на миниплатка, имаща до 200 и повече изводи.

RАМ модулът е свързан със системната входно изходна шина I/O чрез съгласуваща буферна секция. За RAM модулите са характерни параметри като:

• разредност в байтове R_d;
• тактова честота f_M [MHz] и тактов цикъл t_M=1/f_M;
• тактова честота f_I/O на системната шина I/O;
• стъпки на достъпа n_A;
• скорост на обмен на данни V_b [MT/s] (Million Transfers/second).
• байтова скорост на паралелен пренос V_B [MB/s]
• върхова паралелна байтова скорост на пренос BW [MB/s, GB/s].

Тези параметри са динамични и свързани с непрекъснатото развитие на модулните памети.

Синхронни RАМ (статични SSRAM и динамични SDRAM)

Първата насока в развитието на оперативните ЗУ е синхронизирането им с тактовата честота f_I/O на системната шина за данни I/O. Обръщането към паметта (W/R) се извършва синхронизирано само при един от фронтовете на такта. Честотата на системната шина е равна на тази паметта f_I/O =f_M. Тези синхронни работят с честоти до 100÷200MHz, което отговаря на време 10-5ns.

DDRАМ (Double Data Rate RAM).

За тази следваща генерация синхронни статични и динамични е характерно:

• Честотата на модула остава в същите граници f_M=100÷200MHz;
• Обменът на данни обаче става при всеки нарастващ и спадащ фронт на тактовия

сигнал I/O. Този удвоен достъп n_A=2 (известен като dual pumping), означава удвоена скорост на обмен MT/s.

DDR2 RAM

За тази трета генерация е характерно:

• Честотата на модула остава в същите граници f_M=100÷200MHz;
• Обменът на данни става при всеки нарастващ и спадащ фронт на тактовия сигнал;
• Системната тактова честота f_I/O обаче е два пъти по-висока от тази на паметта (f_I/O=2f_M). Това позволява 4 пъти по-голям обмен на пренос MT/s, спрямо първите синхронни памети DDRАМ1.

DDR3RAM

Едно от основните различия е, че системната тактова честота f_I/O е 4 пъти по-висока от тази на паметта (f_I/O=4f_M). Това позволява 2 пъти по-голям скорост на пренос MT/s спрямо DDR2. Освен това DDR3 RAM консумират около 30% по-малка мощност и работят при захранващо напрежение 1,5 V.

Динамичните памети RDRAM известни като Rambus DRAM съдържат друго управление на потока на данни и адреси, високоефективен протокол и изискват прецизно синхронизиране. Те не могат да заменят пряко динамични DDR SDRAM памети.

Определяне на скоростите за обмен на модулите

Скоростта на обмен на данни V_b [MT/s] зависи от факторите, обяснени по-горе:

V_b=f_M.n_A.k=f_I/O.k [MT/s],

съгласно фиг.3.4 и таблица 3.1, където k=f_I/O/ f_M .

Паралелната байтова скорост e съответно

V_В=8=f_I/O.k=8V_b [MВ/s].

Максималната широчина на лентата на паралелен пренос BW_мах зависи освен от байтовата скорост V_В още от байтовата разредност R_D и броят на паралелните интефейси, с които оперира системата n_int:

                                                               BWмах=VВ.RD. nint.

Така за стандартна 64 битова едноканална конфигурация, според данните от табл.3.1 за DDR2-800 максималната паралелна скорост е

BW_мах=6400*8*1=51,200 Mbit/s=5,12 GB/s

Ако се ползват данните от табл.3.1 за DDR2-800, но за двойно канална 128 битова система, максималната възможна паралелна скорост се удвоява

BW_мах=6400*8*2=102,400 Mbit/s=10,24 GB/s.

От 2007 г. в нови РС и графични карти се използват двойно- и многоканални конфигурации – n_I=4, 5 и 6. Четири канална, 256 битова конфигурация с обем 4GB, ще съдържа 4 модула по 1GB, всеки с разредност 64 бита.

Наименование	UDD, V	Тактова честота fM [MHz]	Период цикъл tM =1/fM [ns}	Честота I/O шина fI/O [MHz]	Скорост пренос Vb [MT/s]	Байтова скорост VB [MB/s]
DDR1-х	2,5	100 – 200	10 – 5	100 – 200	200 – 400	1600 – 3200
DDR2-400	1,8	100 MHz	10 ns	200	400	3 200
DDR2-533	1,8	133 MHz	7.5 ns	266	533	4 266
DDR2-667	1,8	166 MHz	6 ns	333	667	5 333
DDR2-800	1,8	200 MHz	5 ns	400	800	6 400
DDR2-1066	1,8	266 MHz	3.75 ns	533	1066	8 533
DDR3-800	1,5	100 MHz	10 ns	400	800	6 400
DDR3-1066	1,5	133 MHz	7.5 ns	533	1066	8 533
DDR3-1333	1,5	166 MHz	6 ns	667	1333	10 667
DDR3-1600	1,5	200 MHz	5 ns	800	1600	12 800

Конструктивно оформление на RAM

DDR2 и DDR3 са оформени в многочипови модули с двустранно (DIMM) разположени 240 извода и не са съвместими със старите DDR1. По-бързите модули DDR2 са съвместими с по-бавните DDR2, но работят с по-ниската скорост. Ако се монтира по-бавна DDR2 в по-високоскоростна система, тя ще работи на нейната по-ниска скорост, регламентирана от паметта.

Данните на модулите се означават като „АхR_D-S“. С А (число кратно на 2ⁿ) е означен броят на адресите (в Mb), чрез R_D е изразена разредността, а с S – времето за достъп и обмен (в ns).

Общият обем на паметта на модула е М=АхR_D. Примери: Модул с обем M=256МВ и S=7 ns, може да се изрази по няколко начина:

• при 32 битова разредност 64х32 -7
• при 64 битова разредност 32х64 -7

В много памети за всеки байт се предвижда по един допълнителен бит за проверка по четност. Така R_W придобива значения съответно 9,18, 36 и 72 бита.

Тенденции на развитие на паметите

През последните години активно се работи са създаване на памети с голям обем, които да съчетават оперативността на RAM и енергонезависимостта и удобствата на FlashROM. Едно от направленията в тази насока са SSD твърдите дискове.

Други направления не са на полупроводникова основа.

Технологията на MRAM използва магнито-резистивен ефект между два тънки феромагнитни слоя. За да дефинират двете състояния на електронния ключ – отворено и затворено, при MRAM се прилага магнитен момент, вместо електрически заряд.

B средата на 2008 г. фирмата Hewlett Packard обяви за създаване на нов тип енергонезависима памет мемристор, която използва нелинеен резистор с нано размери, имащ две стойности на съпротивление, отговарящи на 0 и 1, които се запазват и без електрическо захранване. Това е постигнато чрез структура от две платинени нишки, разделени от тънък само 150 атома слой от титаниев двуокис. Перспективата е да се постигне плътност на енергонезависимо запазване на данни от порядъка на 100 гигабита на квадратен сантиметър.