Zasada działania pamięci RAM

Zasada działania pamięci RAM
Pamięć operacyjna (robocza) komputera zwana pamięcią RAM (ang. Random Access
Memory - pamięć o swobodnym dostępie) służy
do przechowywania danych aktualnie
przetwarzanych przez program oraz ciągu
rozkazów, z których składa się ten program.
Pamięć RAM jest pamięcią ulotną, co oznacza,
iż po wyłączeniu komputera, informacja w niej
zawarta jest tracona. Pamięć ta często
nazywana jest DRAM (ang. Dynamic RAM) ze
względu na zasadę działania: pojedyncza
komórka pamięci zawiera kondensator
(pojemność), który naładowany do pewnego
napięcia, przechowuje jeden bit danych.
Kondensator szybko jednak rozładowuje się i
należy systematycznie odświeżać zawartość
komórki, poprzez zaadresowanie jej i ponowne
doładowanie kondensatora. Proces ten nosi
nazwę odświeżania pamięci i musi być
realizowany cyklicznie.
Pamięć charakteryzowana jest przez dwa
istotne parametry: pojemność oraz czas
dostępu. Pojemność pamięci jest funkcją liczby
linii adresowych i wielkości komórki; jeśli pamięć
jest adresowana za pomocą 10-liniowej (10bitowej) szyny adresowej, a każda komórka
może przechować 8 bitów, to pojemność jej
wynosi 1024 bajty (1KB).
Czas jaki upłynie od momentu zaadresowania
komórki pamięci do uzyskania zapisanej w tej
komórce informacji nazywa się czasem
dostępu. Czasy dostępu współczesnych
pamięci DRAM wynoszą kilka nanosekund, co
oznacza, iż w ciągu tych kilku nanosekund,
zanim nie zostanie odczytana informacja, nie
można zaadresować następnej komórki.
Pamięć RAM
Pamięć w komputerze spotykamy na każdym
kroku. RAM to jeden z najważniejszych typów.
Pamięć to każdy rodzaj nośnika umożliwiający
przechowywanie informacji. Jest nią zarówno
dyskietka, płyta CD-ROM, dysk twardy, RAM i
pamięć podręczna procesora. Po co
komputerowi aż tyle różnych rodzajów pamięci?
Pecet mógłby sobie poradzić, korzystając
wyłącznie z jednego typu pamięci -na przykład
dysku twardego. Niestety, taki komputer byłby
niesamowicie wolny. Szybki dysk twardy
dysponuje średnim tempem transferu danych na
poziomie kilku dziesięciu MB/s.
Tymczasem pamięć RAM oferuje transfer 2500
MB/s. Pamięć podręczna umieszczona w
procesorze jest jeszcze szybsza - oferowany
przez nią transfer to mniej więcej 50 GB/s. Czy
nie byłoby zatem dobrym rozwiązaniem
wyposażyć cały komputer w jeden - najszybszy
rodzaj pamięci? Na przeszkodzie staje cena im szybsza pamięć, tym droższa. Jeden
megabajt dysku twardego kosztuje w
przybliżeniu 1000 razy mniej niż jeden
megabajt RAM-u. Z tego powodu komputer
wyposażony jest w duże ilości taniej pamięci i
mniejsze-droższej.
Ze względu na swoją szybkość i cenę idealnym
buforem pomiędzy wolny dyskiem twardym a
bardzo drogą pamięcią podręczną procesora
jest pamięć RAM. W niej umieszczane są
aktualnie wykorzystywane dane, wyniki obliczeń,
pliki uruchamianych aplikacji.
Struktura wewnętrzna pamięci - przypomina
prostokątną matrycę komórek. Każda komórka
składa się z jednego tranzystora i kondensatora
i może przechowywać jeden bit informacji
(wartość O lub 1). Aby odnaleźć konkretną
komórkę, musimy znać jej adres, czyli numer
wiersza i kolumny.
Szyna
danyc
h
Szyna adresowa
Dekoder adresu
rzędów
Ponieważ do poszczególnych komórek pamięci
możemy odwoływać się w dowolnej kolejności,
taki typ pamięci nazywamy RAM-em (ang.
Random Access Memory -pamięć o dostępie
swobodnym). Oprócz komórek pamięci w
modułach znajdują się struktury obsługujące
matrycę - dekodujące adres otrzymany za
pośrednictwem szyny adresowej z kontrolera
pamięci umieszczonego w chipsecie płyty
głównej, wybierając odpowiednią komórkę,
odczytując jej zawartość i wysyłając ją szyną
danych z powrotem do kontrolera.
Rytm pracy pamięci RAM jest wyznaczany
specjalnym zegarem W wypadku pamięci
SDRAM, DDR-SDRAM i RDRAM jest on
zsynchronizowany z zegarem procesora.
Sygnałem do działania jest wznoszące się
zbocze sygnału zegarowego. W chwili, gdy
dane mają być odczytane z pamięci na szynie
adresowej, pojawia się informacja. Specjalny
sygnał (RAS) informuje pamięć, że jest nią
adres rzędu matrycy, z którego pochodzić będą
dane. Następnie pojawia się sygnał (CAS)
informujący, że od tej chwili przekazywany jest
już adres kolumny.
Docelowa komórka pamięci znajduje się na
przecięciu wybranej kolumny i rzędu. W
wypadku pamięci SDRAM następne komórki w
danym rzędzie mogą być odczytywane z
pominięciem procedury wybierania adresu. Typ
pamięci RAM wykorzystywany powszechnie w
pecetach to tak zwany DRAM, czyli
dynamiczny RAM. Jego zaletą w porównaniu
ze Statycznym RAM-em (SRAM) jest znacznie
prostsza (i tańsza) konstrukcja komórek
pamięci. Wadą że pamięć tego typu bardzo
szybko traci swoją zawartość. Aby więc nożna
było z niej korzystać, cała zawartość DRAM-u
musi być regularnie odświeżana.
Odświeżanie polega na odczytywaniu
zawartości pamięci ponownym jej zapisywaniu
i jest cyklicznie wykonywane przez cały czas
działania komputera.
Parametry pamięci
Kupując pamięć, należy zwrócić uwagę na dwa
parametry. Pierwszy z nich to czas dostępu jest on podawany w nanosekundach.
Jeśli komputer ma pracować z szyną
systemową taktowaną zegarem 166 MHz, to
najdłuższy akceptowalny czas dostępu pamięci
RAM obliczymy, dzieląc 1 przez 166 MHz (166
000 000 Hz). Wynik otrzymany w
nanosekundach. W tym wypadku będzie to 6 ns
Pamięć z dłuższym czasem dostępu nie jest w
stanie pracować z tak szybką magistralą.
Istotnym parametrem jest czas latencji - CAS.
Liczba opisująca CAS i czas dostępu podawana
jest bez przecinka. Jeżeli jest dwucyfrowa, to
drugą cyfrę traktujemy jako część dziesiętną.
CAS to opóźnienie podawane w cyklach
zegarowych pomiędzy otrzymaniem przez
pamięć polecenia odczytu a pojawieniem się na
szynie danych pierwszych informacji. Typowe
pamięci SDRAM mają CAS = 3, DDR-SDRAM
zaś = 2,5. Droższe moduły mają CAS = 2.
Krótszy czas latencji to wyższa o kilka procent
wydajność komputera. CAS i inne parametry
pracy pamięci można ustawić w BlOS-ie. Im
niższe będą poszczególne wartości, tym
pamięć będzie pracowała wydajniej. Jeśli
jednak ustawimy zbyt krótkie opóźnienia,
system zacznie pracować niestabilnie.
Rodzaje pamięci
FPM DRAM - ang, Fast Page Mode Dynamic
Random Access Memory - 32-bitowa pamięć
pojawiła się masowo w 1987 roku. Można
przyjąć, że od niej zaczyna się historia
współczesnej pamięci RAM. Zaletą FPM w
porównaniu ze starszymi pamięciami typu
DRAM był znacznie szybszy dostęp do danych.
Uzyskano to dzięki specjalnemu trybowi
adresowania komórek pamięci. Nie musiały być
już adresowane pojedynczo. Jeden sygnał
aktywował cały ich rząd (tak zwaną stronę) i do
wybrania kolejnych komórek wystarczało
zmieniać adres kolumny.
EDO DRAM – ang. Extended Data Output
DRAM - pamięć dostępna na rynku od 1995
roku. Powstała w wyniku modyfikacji FPM
DRAM. Dane z wybranego rzędu mogły być
odczytywane nie tylko wtedy, gdy ustawiony był
adres tego rzędu, lecz także podczas wybierania
już adresu innego rzędu, co przyspieszało
działanie pamięci.
SDRAM –ang. Synchrous DRAM-64-bitowa
pamięć popularna od 1997 roku. W odróżnieniu
od poprzedników SDRAM pracowała
synchronicznie z zegarem taktującym procesor.
Dzięki temu unikano sytuacji, gdy procesor
oczekiwał na dane, bo zakończył wykonywane
operacje pomiędzy cyklami odczytu/zapisu
pamięci. Zaletą SDRAM-u była też możliwość
pracy w trybie pakietowym (burst). Ten tryb
wykorzystuje fakt, że w zdecydowanej
większości wypadków potrzebne akurat dane
zapisane są w kolejnych komórkach. Czas na
ustawienie adresu jest tu wymagany tylko do
wybrania adresu pierwszej komórki. Komórki o
kolejnych adresach mogą być błyskawicznie (co
jeden takt zegara) odczytywane bez straty czasu
na wybieranie pełnego ich adresu.
Kolejną innowacją była organizacja pamięci w
obrębie jednego modułu w kilka banków
(zazwyczaj cztery). Gdy jeden bank jest zajęty
jakąś operacją (zapis, odczyt, odświeżanie),
komputer nie musi czekać na jego ponowne
przygotowanie do wykorzystania - dane można
zapisać w innym banku.
DDR-SDRAM - ang. Double Data Rate SDRAM
- następna generacja pamięci SDRAM. Różnica
względem poprzednika to praca przy rosnącym
i opadającym zboczu sygnału sterującego.
Dzięki temu przy tej samej częstotliwości
zegara wykonywane jest dwa razy więcej
operacji.
RDRAM - ang. Rambus DRAM -16-bitowa
pamięć zaprojektowana przez firmę Rambus
(premiera w roku 1999) specjalnie dla Pentium
4, Wykorzystuje moduły podobne do DDRSDRAM jednak o zupełnie innej wewnętrznej
organizacji. Każdy układ scalony wchodzący w
skład modułu RDRAM może zawierać do 32
banków. Połowa z nich jest zawsze
przygotowana do pracy. Dzięki tak dużej liczbie
otwartych banków możliwa jest praca z bardzo
wysokimi częstotliwościami (400, 533 MHz)
Prędkości te dodatkowo są podwajane tak jak
w wypadku pamięci typu DDR.
Popularna metoda oznaczania pamięci uwzględnia
prędkość magistrali systemowej. Często można
spotkać się także z inna. metodą uwzględniającą
przepustowości kości RAM (podana w nawiasach).
PC100 (800 MB/s) Nie produkowany już typ
pamięci SDRAM pracujący z magistralą
systemową 100 MHz
PC133 (1100 MB/s) Pamięci typu SDRAM
współpracujące z magistralą systemową 133 MHz
PC200 (1600 MB/s) Pamięci typu DDR-SDRAM
współpracujące z magistralą systemową 100 MHz
PC266 (2100MB/s) Pamięć typu DDR-SDRAM
współpracujące z magistralą systemową 133 MHz
PC333 (2700 MB/s) Pamięć typu DDR-SDRAM
współpracujące z magistralą systemową 166
MHz
PC400 (3200 MB/s) Pamięć typu DDR-SDRAM
współpracujące z magistralą systemową 200
MHz
PC800 (3200 MB/s) Pamięci typu RDRAM.
Współpracują z magistralą systemową 400 MHz
PC1066 (4200 MB/s) Pamięci typu RDRAM.
Współpracują z magistralą systemową 533 MHz