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.
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.
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. Access from 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 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:
o o 8-bitowe o 30 złączach 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.
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
2. RAMBUS DRAM 3. DDR 4. DDR 2 5. DDR 3 6. DDR 4