Pamięć operacyjna komputera

URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ – WWW.EDUNET.TYCHY.PL
Pamięć operacyjna komputera
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.
Struktura wewnętrzna pamięci przypomina prostokątną matrycę komórek. Każda komórka
składa się z jednego tranzystora oraz kondensatora i może przechowywać jeden bit informacji (wartość 0 lub 1). Aby odnaleźć konkretną komórkę, musimy znać jej adres, czyli numer
wiersza i kolumny.
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, wybierające odpowiednią komórkę, odczytujące
jej zawartość i wysyłające ją szyną danych z powrotem do kontrolera.
Pamięć charakteryzowana jest przez dwa istotne parametry: pojemność oraz czas dostępu.
Opr.: Grzegorz Szymkowiak
URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ – WWW.EDUNET.TYCHY.PL
Adresowanie pamięci RAM
W najstarszych typach pamięci RAM adresowanie wybranej komórki pamięci następowało w dwóch fazach:
1.
w fazie pierwszej, wraz z opadającym zboczem impulsu RAS (ang. Row Address Strobe – strob adresu wiersza; impuls dostępu do rzędu, sygnał oznacza,
że aktualne informacje na szynie adresowej są adresem rzędu w matrycy komórek pamięci), na szynie adresowej wystawiony jest adres wiersza
(ROW),
2.
w fazie drugiej – przy opadającym zboczu sygnału CAS (ang. Column Address Strobe – strob adresu kolumny; impuls dostępu do kolumny - oznacza,
że aktualne informacje na szynie adresowej są adresem kolumny w matrycy
komórek pamięci; potocznie przez CAS rozumie się opóźnienie między wydaniem polecenia odczytu danych a pojawieniem się ich na szynie danych) – pojawia się adres kolumny (COL).
Pamięci SDRAM
Wśród kilku poprawek pamięci dynamicznych największe znaczenie miało wymyślenie dostępu synchronicznego i pamięci SDRAM (synchronous DRAM). Do tej pory podstawowy dostęp do pamięci dynamicznej miał charakter asynchroniczny - każde polecenie z kolejki było
obsługiwane indywidualnie od początku do końca. Dopiero po załatwieniu jednego przystępowano do obsługi następnego. W dostępie synchronicznym polecenie jest dzielone na etapy, a rytm
pracy wyznaczony jest przez zegar procesora.
Opr.: Grzegorz Szymkowiak
URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ – WWW.EDUNET.TYCHY.PL
Specyfikacja PC100
Intel przewidując problemy związane z funkcjonowaniem płyt głównych z pamięciami różnych producentów, opracowała specyfikację, o nazwie PC100, określającą cechy i parametry
jakie winny spełniać pamięci.
Zgodnie ze specyfikacją PC100, każdy moduł SDRAM powinien, przede wszystkim, posiadać niewielką szeregową pamięć EEPROM, w której zapisane będą przez producenta parametry modułu. Podczas restartu komputera BIOS płyty głównej odczytuje zawartość tej pamięci
i dokonuje odpowiedniej konfiguracji systemu uwzględniającej parametry zainstalowanej pamięci. Operacja odczytu danych z pamięci nosi angielską nazwę „Serial Presence Detect” (SPD).
Specyfikacja PC100 narzuca producentom stosowanie jednolitego sposobu oznaczania pamięci,
wg następującego wzoru:
PC 100-abc-def
a
CL (ang. CAS Latency)
Minimalna liczba cykli sygnału taktującego, liczona podczas operacji odczytu, do momentu uaktywnienia sygnału CAS, do momentu pojawienia się danych na wyjściu modułu (wartość CL wynosi
zwykle 2 lub 3)
b
tRCD (ang. RAS to CAS
Delay)
To nieodzowne minimalne opóźnienie pomiędzy sygnałami RAS i
CAS, wyrażone w cyklach zegara systemowego (z reguły jest to wartość 2)
c
tRP (ang. RAS Precharge)
Czas wyrażony w cyklach zegara taktującego, określający minimalną pauzę pomiędzy kolejnymi komendami, wykonywanymi
przez pamięć
d
tAC (ang.
Clock)
Maksymalny czas dostępu (wyrażony w nanosekundach), wynoszący
zwykle „6” lub „7”
e
SPD Rev
Specyfikacja komend SPD (parametr może nie występować w oznaczeniach)
f
Parametr zapasowy
Ma wartość 0
Access
from
Przykładowe oznaczenie PC100-322-60 scalonych układów pamięci informuje użytkownika, że przy częstotliwości 100 Mhz, parametry czasowe tego modułu mają następujące wartości: CL=3, tRCD=2, tRP=2, tAC=6ns, SPD Ref nie występuje, f=0
Typy modułów pamięci RAM
Często mylone są ze sobą nazwy rodzajów układów pamięci z nazwami typów modułów,
w jakich je umieszczono.
Wyróżnia się następujące typy modułów pamięci RAM:
1.
SIMM (ang. Single In-Line Memory Module). Istnieją dwie wersje SIMM-ów:
Opr.: Grzegorz Szymkowiak
URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ – WWW.EDUNET.TYCHY.PL
o
8-bitowe o 30 złączach
o
32-bitowe z 72 złączami
W postaci SIMM-ów występowały pamięci FPM DRAM i EDO RAM (tylko 32-bitowe).
2.
DIMM – ang. Dual In-Line Memory Module. Typowe 64-bitowe DIMM-y mają 168
złącz lub 184 złącza
W takiej postaci występują pamięci typu EDO RAM i SDRAM. Moduły zawierające
pamięć DDR-SDRAM mają 184 złącza.
3.
RIMM – ang. Rambus In-Line Memory Module, nazwa handlowa firmy Rambus.
RIMM-y zawierają pamięci RDRAM zaprojektowane przez firmę Rambus.
16-bitowe RIMM-y wyposażone są w 184 złącza. W odróżnieniu od innych typów pamięci te muszą być wyposażone w metalową obudowę spełniającą funkcję radiatora.
Specyfikacja pamięci DDR
Pamięci DDR SDRAM jest modyfikacją stosowanej pamięci SDRAM (ang. Synchronous
DRAM). W pamięci typu DDR SDRAM dane przesyłane są w czasie trwania zarówno rosnącego
jak i opadającego zbocza zegara. Kości zasilane są napięciem 2,5 V a nie 3,3 V co, wraz ze
zmniejszeniem pojemności wewnątrz układów pamięci, powoduje znaczące ograniczenie poboru
mocy.
Oznaczenia - stosowane są dwa rodzaje oznaczeń pamięci DDR SDRAM:
1. Pierwszy (np. PC-200) mówi o częstotliwości, z jaką działają kości.
2. Drugi (np. PC-1600) mówi o teoretycznej przepustowości jaką mogą osiągnąć.
Szerokość magistrali pamięci wynosi 64 bity.
Przepustowość obliczana jest metodą:
PC-200 (PC-1600) – 64 bity * 2 * 100 MHz = 1600 MB/s
PC-266 (PC-2100) – 64 bity * 2 * 133 MHz = 2133 MB/s
PC-333 (PC-2700) – 64 bity * 2 * 166 MHz = 2700 MB/s
PC-400 (PC-3200) – 64 bity * 2 * 200 MHz = 3200 MB/s
Specyfikacja pamięci DDR 2
Pamięć DDR2 (Double Data Rate 2 Synchronous Dynamic Random Access Memory) charakteryzuje się wyższą efektywną częstotliwością taktowania (533, 667, 800, 1066 MHz)
oraz niższym poborem prądu. Podobnie jak DDR pamięć DDR2 wykorzystuje do przesyłania
danych wznoszące i opadające zbocze sygnału zegarowego. Potrafią pracować w temperaturze
do 70°C, ale nie są kompatybilne z modułami DDR.
Oznaczenia - stosowane są dwa rodzaje oznaczeń pamięci DDR2 SDRAM:
1. Pierwszy (np. PC2-533) mówi o częstotliwości, z jaką działają kości.
Opr.: Grzegorz Szymkowiak
URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ – WWW.EDUNET.TYCHY.PL
2. Drugi (np. PC2-6400) mówi o teoretycznej przepustowości jaką mogą osiągnąć.
Przepustowość obliczana jest w sposób identyczny jak dla pamięci DDR:
PC2-3200 to: 64 bity * 2 * 200 MHz = 3200 MB/s
PC2-4200 to: 64 bity * 2 * 266 MHz = 4200 MB/s
PC2-5200 to: 64 bity * 2 * 333 MHz = 5200 MB/s
PC2-6400 to: 64 bity * 2 * 400 MHz = 6400 MB/s
PC2-8000 to: 64 bity * 2 * 500 MHz = 8000 MB/s
Moduły DDR2 zasilane są napięciem 1,8 V zamiast 2,5 V i przesyłają 4 bity w ciągu jednego taktu zegara (DDR tylko 2). Liczba styków w DDR2 została zwiększona ze 184 do 240. A dodatkowo wycięcia w płytce pamięci umieszczone są w różnych miejscach, w celu zapobiegnięcia
podłączenia niewłaściwych kości.
Specyfikacja pamięci DDR 3
Pamięć DDR3 wykonywana jest w technologii 90 nm lub mniejszej, co umożliwia zastosowanie niższego napięcia (1,5 V w porównaniu z 1,8 V dla DDR2 i 2,5 V dla DDR). Dzięki temu
pamięć DDR3 charakteryzuje się zmniejszonym poborem mocy o około 40% w stosunku do pamięci DDR2 oraz większą przepustowością w porównaniu do DDR2 i DDR.
DDR3 nie są kompatybilne wstecz, tzn. nie współpracują z chipsetami obsługującymi DDR
i DDR2. Moduły z pamięcią DIMM DDR3 mają przesunięte wcięcie w prawą stronę w stosunku do
modułów DIMM DDR2.
Specyfikacja pamięci DDR 4
Pamięć DDR4 umożliwia zastosowanie napięcia 1,2 V w porównaniu z 1,5 V dla DDR3, 1,8
V dla DDR2 i 2,5 V dla DDR. Dzięki temu pamięć DDR4 charakteryzuje się zmniejszonym poborem mocy o około 20% w stosunku do pamięci DDR3 oraz większą przepustowością w porównaniu do DDR3, DDR2 i DDR. Pamięci DDR4 nie są kompatybilne wstecz, tzn. nie współpracują z
chipsetami obsługującymi DDR, DDR2 i DDR3.
Przegląd pamięci RAM
1. SDRAM
Opr.: Grzegorz Szymkowiak
URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ – WWW.EDUNET.TYCHY.PL
2. RAMBUS DRAM
3. DDR
4. DDR 2
5. DDR 3
6. DDR 4
Opr.: Grzegorz Szymkowiak