Динамическая память

Статическая и динамическая память

Типы полупроводниковых ЗУ с произвольным доступом.

Типы запоминающих устройств

Внешняя память

Внешняя память предназначена для длительного хранения программ и данных.

Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках.

В запоминающем устройстве, называемом памятью с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM), на обращение к любому адресу уходит одно и тоже время. Для реализации основной памяти компьютера используют полупроводниковые интегральные схемы.

Обычно процессор обрабатывает команды и данные значительно быстрее, чем они выбираются из памяти. Поэтому цикл доступа к памяти является узким местом системы. Напомним, что одним из способов сокращения времени доступа к памяти может стать использование кэш-памяти. В ней хранятся текущие фрагменты программы и ее данных.

Память на основе микросхем, которые могут сохранять свое состояние лишь до тех пор пока к ним подключено питание, называется статической (Static RAM, SRAM).

Статическая RAM работает быстро, но стоит очень дорого, поскольку каждая ее ячейка содержит несколько транзисторов. Вот почему выпускается еще и более дешевая память с более простой конструкцией ячеек.

Однако эти ячейки не способны бесконечно долго сохранять свое состояние, поэтому такая память называется динамической (Dinamic RAM, DRAM). В ячейке динамической памяти информация хранится в форме заряда на конденсаторе, и этот заряд может сохраняться всего несколько десятков миллисекунд. Поскольку ячейка памяти должна хранить информацию гораздо дольше, ее содержимое должно обновляться путем восстановления заряда на конденсаторе.

Конструктивно память DRAM состоит из «ячеек» размером в 1 или 4 бит, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных. 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.

Физическое представление

В современных компьютерах физически память представляет собой электрическую плату — модуль, на котором расположены микросхемы памяти и разъём, необходимый для подключения модуля к материнской плате. Роль «ячеек» играют конденсаторы и транзисторы, расположенные внутри микросхем памяти. Конденсаторы заряжаются в случае, когда в «ячейку» заносится единичный бит, либо разряжаются в случае, когда в «ячейку» заносится нулевой бит. Транзисторы необходимы для удержания заряда внутри конденсатора. При отсутствии подачи электроэнергии к оперативной памяти, происходит разряжение конденсаторов, и память опустошается. Это динамическое изменение заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Именно страница является минимальной порцией обмена с динамической памятью, потому что обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

Чтобы обеспечить возможность быстрой работы одновременно с разными участками памяти используется архитектура с несколькими массивами памяти или банками. Банки памяти работают полностью независимо. Например, данные можно считывать из памяти банка 1, обрабатывать и записывать в память банка 2. При этом будут отсутствовать задержки на активацию и закрытие строк данных в массиве памяти, что было бы в случае одного банка.

Возможна различная организация использования банков. При этом по-разному выполняется трансляция адреса памяти, который использует процессор, в последовательность: номер банка, номер строки массива памяти, номер колонки массива памяти. В простейшем случае банки памяти идут последовательно. Соответственно преимущества от наличия нескольких банков будут, только если обращения к памяти сильно разнесены в адресном пространстве. Обычно программы работают с небольшим локальным участком памяти и не будут иметь ускорения. Возможна организация с чередованием банков (по-английски Interleaving). Сначала идёт строка первого банка, потом второго, потом опять первого, и так далее до конца памяти. Вероятность, что будут использоваться участки памяти, принадлежащие разным банкам, значительно увеличивается. Но всегда возможны "неудобные" случаи, когда рабочие участки памяти разбросаны так, что принадлежат одному банку. Тем не менее, наличие нескольких банков повышает производительность. Чем больше банков, тем лучше. В спецификации DDR SDRAM, например, указано, что эта память имеет 4 банка памяти.

Рис. Организация памяти в нескольких банках.

Характеристики памяти DRAM

Основными характеристиками DRAM являются тайминги и рабочая частота. Для обращения к ячейке, контроллер задаёт номер банка, номер страницы в нём, номер строки и номер столбца, на все запросы тратится время, помимо этого довольно большая затрата 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), задержка 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). Каждая цифра в тайминге – это количество тактов шины на выполнение той или иной операции (например: 2-3-2-6-1). Чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память. Рабочая частота измеряется в мегагерцах, и увеличение рабочей частоты памяти приводит к увеличению её быстродействия.

Рис. Пример – временная диаграмма циклов обращения к памяти.

Регенерация

В отличие от статической памяти типа SRAM (англ. static random access memory), которая является конструктивно более сложным и более дорогим типом памяти RAM 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 периоды времени, во избежание потерь данных. Этот процесс называется регенерацией памяти. Он реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или 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, распределенный; наиболее экономичной является скрытая регенерация.

Из новых технологий регенерации можно выделить тип регенерации PASR (англ. Partial Array Self Refresh), применяемый компанией Samsung в чипах памяти SDRAM с низким уровнем энергопотребления. Регенерация «ячеек» выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные. Параллельно с этой технологией реализуется метод TCSR (англ. Temperature Compensated Self Refresh), который предназначен для регулировки скорости процесса регенерации в зависимости от рабочей температуры.

Дата добавления: 2014-01-06