Pamięć operacyjna (robocza) komputera - zwana pamięcią RAM (ang. Random Acces Memory - pamięć o swobodnym dostępie) służy do przechowywania danych

Transkrypt

1

2 Pamięć operacyjna (robocza) komputera - zwana pamięcią RAM (ang. Random Acces 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.

3 Pamięć charakteryzowana jest przez dwa istotne parametry: pojemność czas dostępu. jest funkcją liczby linii adresowanych i wielkości komórki. Jeśli pamięć jest adresowana za pomocą 10- liniowej (10-bitowej) szyny adresowanej, a każda komórka może przechować 8 bitów, pojemność jej wynosi 1024 bajty (1 kilobajt - 1KB). Procesor PENTIUM za pomocą swojej 32-bitowej szyny adresowanej może obsługiwać pamięć o pojemności 4GB (gigabajtów). Czas jaki upłynie od momentu zaadresowania komórki pamięci do uzyskania zapisanej w tej komórce informacji nazywa się. Czasy dostępu współczesnych pamięci DRAM wynoszą kilkadziesiąt nanosekund, co oznacza iż w ciągu tych kilkudziesięciu nanosekund, zanim nie zostanie odczytana informacja, nie można zaadresować następnej komórki.

4 W zależności od budowy możemy wyróżnić dwa typy pamięci RAM: DRAM SRAM

5 Pamięć DRAM (ang. Dynamic RAM) jest odmianą półprzewodnikowej pamięci RAM, zbudowana na bazie tranzystorów i kondensatorów. Pojedyncza komórka pamięci zawiera kondensator i tranzystor sterujący proces kondensacji. Jeśli kondensator jest naładowany do pewnego napięcia, przechowuje jeden bit danych, jeśli jest rozładowany, mamy bitowe zero. Kondensator szybko 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. Podczas odświeżania nie można dokonywać ani zapisu ani odczytu danych co powoduje ogólne spowolnienie pracy pamięci. Niewielkie rozmiary, duża pojemność i niska cena sprawiają, że DRAM idealnie nadaje się na pamięć operacyjna komputera.

6 W specyfikacji poszczególnych typów pamięci DRAM można spotkać kilka parametrów określających wydajność: tcl (CAS Latency) liczba cykli zegarowych pomiędzy wysłaniem przez kontroler pamięci zapotrzebowania na dane a ich dostarczeniem trcd (RAS to CAS Delay) - liczba cykli zegarowych pomiędzy podaniem adresu wiersza a wysłaniem adresu kolumny trp (RAS Precharge) - liczba cykli zegarowych pomiędzy kolejnym adresowaniem wierszy pamięci tras (Row Active Time) - liczba cykli zegarowych pomiędzy aktywacją a dezaktywacją wierszy tcr (Command Rate) - liczba cykli zegarowych pomiędzy adresowaniem dwóch komórek pamięci Im mniejsze są ww. wartości, tym szybszy jest dostęp do komórek pamięci

7 Pamięć SRAM (ang. Static RAM) statyczna pamięć RAM jest zbudowana na bazie przerzutników i tranzystorów. Jedna komórka pamięci to jeden przerzutnik RS i dwa tranzystory sterujące. Pamięć ta nie wymaga odświeżania, dzięki czemu pozwala na znacznie szybszy dostęp do danych. Jednak bardziej złożona budowa to większe koszty produkcji, brak możliwości budowy pamięci o większej pojemności, co wyklucza zastosowanie SRAM jako pamięci operacyjnej komputera. Pamieć tą najczęściej wykorzystuje się jaką pamięć podręczną Cashe, gdzie istotniejsza jest wydajność niż pojemność

8 FPM DRAM EDO/BEDO DRAM SDRAM DDR, DDR II, DDRIII SDRAM RDRAM Pamięci asynchroniczne, gdzie wydajność określa się w nanosekundach, np.: 60 ns Pamięci synchroniczne SDRAM określa się w megahercach (MHz), a DDR SDRAM w megabajtach/gigabajtach na sekundę (MB/s, GB/s)

9 FPM (ang. Fast Page Mode) zastosowano tu technikę stronicowania umożliwiającą szybsze odwoływanie się do danych zapisanych w jednym wierszu. Seryjny tryb odstępu pozwala na odczyt danych w układzie Oznacza to, że na dostęp do pierwszej komórki potrzeba 5 cykli zegarowych, a do pozostałych komórek tylko 3 (pamięć popularna w czasach procesorów 486 i pierwszych Pentium)

10 EDO-RAM (ang. Extended Data Out), nowszy typ pamięci wyposażony w mechanizm pozwalający już w trakcie odczytu danych wystawiać na szynie adresowanej kolejny adres. Pamięć ta posiada więc krótszy czas dostępu w trybie seryjnym do BEDO DRAM (ang. Burst EDO) ewolucja EDO, w której skrócono czas odczytu w trybie seryjnym do przez dodanie do kontrolera pamięci specjalnego licznika adresów. Dodatkowo wprowadzono funkcje przeplatania dwóch banków pamięci Bank pamięci określa liczbę bitów jednocześnie przetwarzanych przez kość pamięci. Jeżeli pamięć ma taką samą szerokość jak magistrala pamięci, to jeden bank przypada na jedno gniazdo na płycie głównej.

11 Nowy typ pamięci DRAM, określany jako SDRAM (ang. Synchronous DRAM). Najważniejszą cechą tych pamięci jest możliwość pracy zgodnie z taktem zegara systemowego, co wpłynęło na zmniejsznie strat czasowych podczas przesyłu rozkazów i danych do i z procesora. Podobnie do układów BEDO, SDRAM-y mogą pracować w cyklu Opracowano trzy wersje pamięci SDRAM: PC-66 pracującą z częstotliwością 66 MHz PC-100 pracującą z częstotliwością 100 MHz PC-133 pracującą z częstotliwością 133 MHz

12 DDR SDRAM (ang. Doubel Data Rate SDRAM) podwójne tempo przesyłu danych pamięci SDRAM jest ewolucją pamięci SDRAM. Zastosowano tu technikę przesyłu danych na narastającym i opadającym zboczu sygnału zegarowego. Taki sposób transmisji pozwolił na podwojenie ilości przesyłanych informacji bez potrzeby zwiększania częstotliwości zegara magistrali. Dodatkowo wyposażono pamięć w dwubitowy bufor gromadzący dane przed wysłaniem. Kości zasilane są napięciem 2,5 V, co wpływa na zmniejszenie poboru energii w stosunku do tradycyjnych SDRAM 3,3 V. Pamięci DDR SDRAM nie są kompatybilne wstecznie z pamięcią SDRAM zwaną SDR SDRAM (ang. Single Data Rate SDRAM)

13 SDR 1 transfer w cyklu zegarowym Częstotliwość zegara = 100 MHz Częstotliwość przesyłania danych = 100 MHz DDR 1 transfer w cyklu zegarowym Częstotliwość zegara = 100 MHz Częstotliwość przesyłania danych = 200 MHz

14 PC-1600 o częstotliwości zegara 100 MHz i przepustowości 1,6 GB/s PC-2100 o częstotliwości zegara 133 MHz i przepustowości 2,1 GB/s PC-2700 o częstotliwości zegara 166 MHz i przepustowości 2,7 GB/s PC-3200 o częstotliwości zegara 200 MHz i przepustowości 3,2 GB/s W celu wyliczenia przepustowości dla DDR posługujemy się wzorem: zegar magistrali x 2 (Double Data Rate) x 64 bity/8bitów = przepustowość w MB/s 100 MHz x 2 x 64 b/8b = 1600 MB/s

15 Nowsza odmiana DDR SDRAM, gdzie oprócz techniki podwójnego tempa przesyłu danych zastosowano specjalny 4-bitowy bufor, umożliwiający w ciągu jednego cyklu wysłanie większej ilości danych, oraz podwojono mnożnik zegarowy magistrali, dzięki czemu DDR2 przy częstotliwości 100 MHz może uzyskać przepustowość 3,3 GB/s. DDR2 nie jest kompatybilny z DDR i SDRAM, wymaga zasilania 1,8 V W celu wyliczenia przepustowości dla DDR2 posługujemy się wzorem: zegar magistrali x 2 (Double Data Rate) x 2 (mnożnik magistrali) x 64 bity/8bitów = przepustowość w MB/s

16 PC o częstotliwości zegara 100 MHz i przepustowości 3,2 GB/s PC o częstotliwości zegara 133 MHz i przepustowości 4,3 GB/s PC o częstotliwości zegara 166 MHz i przepustowości 5,3 GB/s PC o częstotliwości zegara 200 MHz i przepustowości 6,4 GB/s PC o częstotliwości zegara 166 MHz i przepustowości 8,5 GB/s

17 Rozwinięcie standardów DDR i DDR2, ale bez kompatybilności wstecznej. Zasilanie zredukowano do 1,5 V. DDR3 ma bufor 8- bitowy. Mnożnik częstotliwości magistrali zwiększony został do 4, co umożliwiło transfer z prędkością 6,4 GB/s przy częstotliwości zegara 100 MHz W celu wyliczenia przepustowości dla DDR3 posługujemy się wzorem: zegar magistrali x 2 (Double Data Rate) x 4 (mnożnik magistrali) x 64 bity/8bitów = przepustowość w MB/s

18 PC o częstotliwości zegara 100 MHz i przepustowości 6,4 GB/s PC o częstotliwości zegara 133 MHz i przepustowości 10,6 GB/s PC o częstotliwości zegara 166 MHz i przepustowości 12,7 GB/s PC o częstotliwości zegara 200 MHz i przepustowości 16 GB/s

19 Pamięć RDRAM (ang. Rambus DRAM) opracowane przez firmę Rambus, pojawiły się 1999r. Dedykowana magistrala pamięci RDRAM ma szerokość tylko 16 bitów, ale pracuje z dużą prędkością, przesyłając informacje na rosnącym i opadającym zboczu sygnałowym (DDR). Pierwsze pamięci RDRAM pozwalały na przesyłanie informacji z prędkością magistrali 400 MHz i przepustowością rzędu 1,6 GB/s, gdzie PC-133 taktowane były zegarem 133 MHz i umozliwiały transfer 1064 MHz

20 PC-600 o częstotliwości zegara 300 MHz i przepustowości 1,2 GB/s PC-700 o częstotliwości zegara 355 MHz i przepustowości 1,4 GB/s PC-800 o częstotliwości zegara 400 MHz i przepustowości 1,6 GB/s PC-1066 o częstotliwości zegara 533 MHz i przepustowości 2,1 GB/s PC-1200 o częstotliwości zegara 600 MHz i przepustowości 2,4 GB/s Następcą RDRAM jest XDR DRAM umożliwiająca pracę z częstotliwością magistrali do 1066 MHz i przepustowości przeszło 29 GB/s. Nowsze jest XDR2 RDRAM umożliwiająca transfer do 38,4 GB/s, a w przyszłości nawet do 51 GB/s. Pamięci XDR są stosowane głównie w konsolach do gier (Play Station 3, firmy Sony), wydajnych kartach graficznych i serwerach

21 Pamięć RAM fizycznie przyjmuje postać układu scalonego. Pierwsze pamięci DRAM montowane były bezpośrednio ona płycie głównej bez możliwości rozbudowy. Następnie zaczęto umieszczać w specjalnych podstawkach umożliwiających rozbudowę. Z czasem jednak pojawiły się problemy ze stykami. Rozwiązaniem tego problemu okazała się koncepcja modułów. Opracowano trzy odmiany: SIMM DIMM RIMM

22 Moduły SIMM (ang. Single Inline Memory Modules), powstały dla pamięci asynchronicznych typu DRAM, FPM i EDO DRAM. Moduły SIMM są to podłużne płytki na których umieszczono "kostki" pamięci, wyposażone w złącze krawędziowe. Opracowano dwie odmiany SIMM: SIMM 30 końcówkowe dla 8-bitowej magistrali pamięci SIMM 72-końcówkowe dla pamięci 32-bitowych Czas dostępu modułów SIMM zawiera się w granicach nanosekund. Złącze SIMM z 32-bitową szyną danych - do rozszerzenia pamięci na płycie głównej z procesorem PENTIUM wystarczą więc dwa moduły, gdyż pamięć RAM ma 64-bitową organizację zapisu i odczytu danych - warto o tym pamiętać przy rozszerzaniu jej pojemności. Moduły wykonywane są w dwóch wersjach: wersja S o pojedynczym upakowaniu (ang. Single density) wersją D o podwójnym upakowaniu (ang. Double density).

23 30-końcówkowy 72-końcówkowy

24 Tabela prezentuje symbole modułów i odpowiadające im pojemności. Symbol Pojemność 256K (S) 256K x 32 bity 1 MB 1M (S) 1M x 32 bity 4 MB 4M (S) 4M x 32 bity 16 MB 16M (S) 16M x 32 bity 64 MB 512K (D) 2 x 256K x 32 bity 2 MB 2M (D) 2 x 1M x 32 bity 8 MB 8M (D) 2 x 4M x 32 bity 32 MB

25 Moduły pamięci RAM typu DIMM (ang. Dual Inline Memory Modules)- to nowsze osiągnięcia przemysłu komputerowego. Wyposażone są w 169-stykowe złącza i dysponują 64-bitową magistralą danych (taką samą jak procesor PENTIUM) - do rozszerzania pamięci na płycie głównej potrzebny jest więc tylko jeden moduł. Moduły te posiadają trzy rzędy styków, oddzielone dwoma wycięciami. Opracowano na stępujące typy modułów DIMM: SO-DIMM DIMM

26 SO-DIMM 72-końcówkowy (FRM DRAM i EDO DRAM) SO-DIMM 144-końcówkowy (SDR SDRAM) SO-DIMM200-końcówowy (DDR SDRAM i DDR2 SDRAM) SO-DIMM 204-końcówkowy (DDR3 SDRAM)

27 DIMM 168-końcówkowy (SRD SDRAM) DIMM 184-końcówkowy (DDR SDRAM) DIMM 240-końcówkowy (DDR2 SDRAM) FB-DIMM 240-końcówkowy (DDR2 SDRAM z przeznaczeniem dla serwerów) DIMM 240-końcówkowy (DDR3 SDRAM)

28 Moduł DIMM DDR SDRAM Moduł SO-DIMM

29 Moduły RIMM (ang. Rambus Inline Memory Module) stosuje się do budowy pamięci opartej o RDRAM. Wielkością przypominają DIMM, ale nie są kompatybilne sprzętowo, a płyta główna musi mieć specjalne gniazda pamięci. Istnieją trzy typy układów RIMM RIMM 16/18 bitowa z 184 końcówkami (dla pamięci RIMM 1600 i 2100) RIMM 32/36 bitowa z 232 końcówkami (dla pamięci RIMM 3200 i 4267) RIMM 64/72 bitowa z 326 końcówkami (dla pamięci RIMM 6400 i 8532) Wszystkie typy wyposażone są w jednakowe złącze, ale w celu uniknięcia pomyłek stosuje się inny system wycięć

30 DIP (Dual In-line Package), starsza, na płycie SOJ (Small Outline J-lead), na powierzchni płytki, w modułach, najczęstsza TSOP (Thin, Small Outline Package) nieco bardziej płaska

31 SIMM (single in-line memory module), 72 styki, 32-bitowe szyny; DIMM (dual in-line memory module), po obu stronach płytki 168 styki, 64-bitowe szyny.

32 Błędy fizyczne (twarde - ang. hard error) fizyczne uszkodzenie komórek pamięci konieczność wymiany modułu na nowy (np. niebieski ekran informujący o błędzie wyjątku krytycznego (fatal error) Błędy logiczne (miękkie ang. soft error) bez fizycznego uszkodzenia kości pamięci, skutkują chwilowym zachwianiem stabilności przechowywanych danych

33 Metoda wykrywania błędów miękkich, które mogą pojawić się w pamięci RAM. Polega na dodawaniu do jednego bajta z danymi dodatkowego bitu kontrolnego (oznaczonego jako bit parzystości). Informuje on czy w ciągu 8 bitów znajduje się parzysta, czy nieparzysta liczba jedynek bitowych. W celu wykorzystania kontroli parzystości trzeba zaopatrzyć się w kości pamięci i płytę główną wspomagającą mechanizm wykrywania błędów. Gdy chcemy, aby te błędy były tez usunięte, musimy nabyć pamięć wyposażoną w tzw. korekcję błędów, czyli funkcję ECC (ang. Error Correcting Code)

34