Структура оперативной памяти

1.

Структура
памяти
оперативной
Простое, понятное, краткое
объяснение
Долгое объяснение с кучей текста

2.

Основная составная часть микросхемы представляет собой массив элементов памяти (ЭП), объединенных в
матрицу накопителя.
Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющее обращаться по
адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом.
Упрощенная структурная схема модуля оперативной памяти при матричной его организации представлена на рисунках

3.

Оперативная
память
связана
с
остальным
микропроцессорным комплексом ЭВМ через системную шину.
По
шине
управления
передается
сигнал,
определяющий, какую операцию необходимо выполнить.
По
шине
данных
передается
информация,
записываемая в память или считываемая из нее.
По шине адреса передается адрес участвующих в
обмене элементов памяти. Поскольку данные передаются
машинными словами, а один ЭП может воспринять только один
бит информации, блок элементов памяти состоит из п матриц
ЭП, где п – количество разрядов в машинном слове.
Максимальная емкость памяти определяется
количеством линий в шине адреса системной магистрали если
количество линий обозначить через т, то емкость памяти (т.е.
количество элементов памяти имеющих уникальные адреса)
определяется как 2т. Так, в IBM PC XT шина адреса системной
шины содержит 20 линий.
Поэтому максимальный объем основной памяти в этих
машинах равен 220 = 1 Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором
i80286) системная шина содержит 24 линии, поэтому объем
основной памяти может быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с
МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный
объем основной памяти увеличился до 232 = 4 Гбайта.

4.

Принцип работы оперативной памяти:
При
матричной
организации
памяти
реализуется
координатный принцип адресации ЭП, т.е. адрес делится на две части
(две координаты) – X (номер строки) и Y (номер столбца). На
пересечении этих координат находится элемент памяти, чью
информацию нужно прочитать или изменить.
При
матричной
организации
памяти
реализуется
координатный принцип адресации ЭП, т.е. адрес ячейки, поступающий
в регистр адреса по кодовым шинам адреса, делится на две части
(две координаты), поступающие соответственно в Рег. адреса X и Рег.
адреса Y. Из этих регистров коды полуадресов поступают в
дешифраторы Дешифратор X и Дешифратор Y, которые
расшифровывают координаты – X (номер строки) и Y (номер столбца).
Каждый из дешифраторов в соответствии с полученным
адресом (Х или Y) выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам
подаются сигналы записи/считывания в ячейку памяти, находящуюся
на пересечении этих шин.
После того как ячейка найдена, устройство управления
микропроцессора посылает по кодовой шине инструкций сигнал
считывания в оперативную память. Данные из ячейки считываются,
предварительно записываются в регистр данных оперативной памяти
и уже из нее пересылаются по шине данных в микропроцессор.
Разрядность шины данных (8, 16, 32 или 64 бита) определяет
длину информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за
одно обращение.

5.

Техническая организация и особенности оперативной
памяти:
В современных ЭВМ микросхемы памяти (ОЗУ, ПЗУ
и кэш) изготавливают из кремния по полупроводниковой
технологии с высокой степенью интеграции элементов на
кристалле (микросхемы памяти относятся к так называемым
«регулярным» схемам, что позволяет сделать установку
элементов памяти в кристалле (чипе) настолько плотной,
что размеры элементов памяти становятся сопоставимыми
с размерами отдельных атомов).
Микросхемы оперативной памяти строятся на
динамических элементах памяти, в качестве которых
выступают триггеры, сформированные внутри кремниевого
кристалла.
Динамические ЭП с течением времени записанную
в них информацию теряют, поэтому они нуждаются в
периодическом
восстановлении
записанной
в
них
информации – в регенерации.

6.

Характеристики оперативной памяти:
Основные характеристиками ОЗУ:
1. Объем
2. быстродействие.
На производительность ЭВМ влияют не только время
доступа, но и такие параметры (связанные с ОЗУ), как тактовая
частота и разрядность шины данных системной магистрали. Если
тактовая частота недостаточно высока, то ОЗУ простаивает в
ожидании обращения. При тактовой частоте, превышающей
возможности ОЗУ, в ожидании будет находиться системная
магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ.
Интегральной характеристикой производительности ОЗУ
с
учетом
частоты
и
разрядности
является
пропускная
способность, которая измеряется в мегабайтах в секунду. Для
оперативной памяти со временем доступа 60 – 70 нс и разрядностью
шины данных 64 бита максимальная (теоретическая) пропускная
способность при тактовой частоте системной шины 50 МГц составляет
400 Мбайт/с, при частоте 60 МГц – 480 Мбайт/с, при 66 МГц – 528
Мбайт/с в режиме группового обмена, реализуемом, например, при
прямом доступе к памяти.

7.

Для группового обмена характерно (и это является еще
одной характеристикой ОЗУ), что при каждом обращении к памяти для
считывания первого слова необходимо больше времени, чем для
последующих. Так, при использовании стандартной динамической
памяти FPM (Fust Page Mode) DRAM на 60 – 70 нс каждое обращение к
памяти в групповом режиме описывается формулой 7-3-3-3, т.е. для
обработки первого слова необходимо 7 тактов (в течение 6 из которых
системная шина простаивает в ожидании), а для обработки следующих
трех слов – по 3 такта, по 2 из которых системная шина простаивает.
Память типа EDO (Extended Data Output) DRAM позволяет
уменьшить количество циклов ожидания (х-2-2-2, где х - количество
тактов, необходимое для обработки первого слова). Память типа BEDO
(Burst EDO) DRAM обеспечивает обмен по формуле х-1-1-1 для
первого обращения и 1-1-1-1 – для последующих.
Приведенные формулы характерны для тактовых частот до
60 МГц. Синхронная динамическая память (SDRAM – Synchronous
DRAM) способна обмениваться блоками данных на рабочей тактовой
частоте (внешняя частота процессора) без циклов ожидания: при
времени доступа 10 нс – до 100 МГц, 12 нс – до 83 МГц и 15 нс – до 66
МГц.

8.

Размещение информации в оперативной памяти
Адресуемой единицей информации основной памяти IBM PC является байт. Это означает, что каждый байт,
записанный в оперативной памяти, имеет уникальный номер (адрес).
Запись в оперативную (и чтение из нее) может осуществляться не только байтами, но и машинными словами.
При этом машинное слово при размещении в памяти занимает несколько смежных байтов. Каждый байт
оперативной памяти имеет свой адрес. Но машинное слово характеризуется не всеми адресами занятых байтов, а только
одним – адресом младшего байта машинного слова.
При записи в оперативную память единиц информации, имеющих в своем составе больше одного байта, адресом
информационной единицы является адрес самого младшего байта, запись в оперативную память ведется побайтно, начиная
с самого младшего байта, каждый последующий байт располагается в ячейке, адрес которой на 1 больше предыдущего.
Бит
Старший бит
0
1
0
0
1
0
0
1
1
Байт
1
1
Младший бит
1
0
Байт
Слово
0
0
0

9.

А теперь все тоже самое только простыми словами
Физически, оперативная память представляет собой набор микросхем припаянных к плате.
Если посмотреть внутрь одной такой микросхемы, можно увидеть что она состоит из множества, соединённых
друг с другом слоёв, каждый слой состоит из огромного количества ячеек, образующие прямоугольные матрицы.

10.

Одна ячейка может содержать 1 бит
информации, а состоит она из одного
полевого транзистора и одного
конденсатора.

11.

Выглядит эта конструкция довольно сложно
и может различаться в зависимости от
применённых технологий, так что для
наглядности лучше представить ячейку в
виде схемы.

12.

Так легче понять, что именно конденсатор хранит информацию, а транзистор выполняет роль электрического
ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания. Когда конденсатор заряжен,
можно получить логическую единицу, а когда разряжен, ноль. Таких конденсаторов в чипе, очень много но считать заряд
с одной конкретной ячейки нельзя, считывается вся страница целиком.

13.

Чтобы сделать это необходимо на нужную нам горизонтальную линию которая называется строка, подать
сигнал, который откроет транзисторы, после чего усилители расположенные на концах вертикальных линий считают
заряды которые находились на конденсаторах.

14.

Каждое такое считывание опустошает
заряды на странице, из-за чего приходится её заново
переписывать, для этого на строку так же подаётся
открывающий транзистор заряд, а на столбцы
подаётся более высокое напряжение, тем самым
заряжая конденсаторы и записывая информацию.
Задержки между этими операциями называются
таймингами, чем они меньше тем более быстрая
будет вся система в целом
Но вернёмся к модулю памяти в макро
масштабе и посмотрим что, помимо самих чипов
памяти, на модуль распаиваются SMD-компоненты
резисторы и конденсаторы обеспечивающие
развязку сигнальных цепей и питание чипов, а также
Микросхема SPD – это специальная микросхема, в
которой хранятся данные о параметрах всего модуля
(ёмкость, рабочее напряжение, тайминги, число
банков и так далее). Это нужно чтобы во время
запуска системы, BIOS на материнской плате
выставил оптимальные настройки согласно
информации, отображенной в микросхеме.
Так же существует несколько форм факторов модулей,
модули для компьютеров называются DIMM, а для ноутбуков и
компактных систем SO-DIMM, отличаются они размером и
количеством контактов для подключения. Это двухрядные модули
которые имеют два независимых ряда контактов по одному с
каждой стороны.
Например в старых модулях Simm контакты с двух сторон
были замкнуты и они могли передать только 32 бита информации
за такт, в то время как dimm могут передавать 64 бита.

15.

Ко всему этому модули делятся на одноранговые, двухранговые и четырёхранговые. Ранг — это блок данных
шириной 64 бита, который может быть набран разным количеством чипов память.Одноранговая память имеет ширину 64
бита, тогда как Двухранговая память имеет ширину 128 бит. Но, так как один канал памяти имеет ширину всего 64 бита,
как и одноранговый модуль, контроллер памяти может одновременно обращаться только к одному рангу. В то время как
двухранговый модуль может заниматься ответом на переданную ему команду, а другой ранг уже может подготавливать
информацию для следующей команды, что незначительно увеличивает производительность.

16.

Так же хочется отдельно сказать о памяти с
коррекцией ошибок, ECC-памяти, так как эти модули имеют
дополнительный банк памяти на каждые 8 микросхем.
Дополнительные банки и логика в модуле служат для
проверки и устранения ошибок.
Использование буферов и коррекции ошибок
незначительно ухудшает производительность, но сильно
повышает надёжность данных. Поэтому ECC память широко
используется в серверах и рабочих станциях
Ещё немного расскажу о типах памяти, так как в
современных компьютерах используется синхронная
динамическая память с произвольным доступом и
удвоенной скоростью передачи данных DDR SDRAM 4-го
поколения и скоро будет распространено пятое.

17.

Память типа ddr пришла на смену памяти типа
SDR. SDR SDRAM работает синхронно с контроллером. В
ней внутренняя и внешняя шина данных работает на
одной и той же частоте. При подаче сигнала на
микросхему происходит синхронное считывание
информации и передача её в выходной буфер. Передача
каждого бита из буфера происходит с каждым тактом
работы ядра памяти. В SDR памяти синхронизация
обмена данными происходит по фронту тактового
импульса.
При подаче сигнала на микросхему происходит
синхронное считывание информации и передача её в
выходной буфер. Передача каждого бита из буфера
происходит с каждым тактом работы ядра памяти. В SDR
памяти синхронизация обмена данными происходит по
фронту тактового импульса.
После SDR, вышла DDR память, в ней обмен
данными по внешней шине идет не только по фронту
тактового импульса, но и по спаду, из-за чего на той же
частоте можно передать вдвое больше информации, а
чтобы воспользоваться этим увеличением, внутреннею
шину расширили вдвое. То есть работая на тех же
частотах что SDR, DDR память передаёт в 2 раза больше
данных.

18.

Следующие поколения
памяти DDR не сильно отличаются,
увеличивается только частота работы
буферов ввода вывода, а также
расширяется шина, связывающая ядро
памяти с буферами, сам принцип
работы не меняется, но даже так,
каждое новое поколение получает
таким способом существенное
увеличение пропускной способности,
без увеличения частоты работы самих
ячеек памяти.
Понятно что с каждый новым
поколением улучшается работа
логики, техпроцесс и многое другое.
Но сам принцип работы остаётся
одним и для общего понимая этого
достаточно.