Однако по большому счёту память современных компьютеров на базе процессора Pentium собирается из таких же чипов, которые использовались в древнем IBM PC AT. Между тем, рост быстродействия центральных процессоров в последнее время привёл к тому, что стало просто невозможно мириться с отсталостью технологий ОЗУ. Поэтому в настоящее время в этом направлении происходят бурные революционные изменения.
Динамическая память (DRAM).
В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти базирующиеся на способности сохранять электрический заряд. Микросхемы динамических ОЗУ отличаются от микросхем статических ОЗУ большей информационной ёмкостью, что обусловлено меньшим числом компонентов в одном элементе памяти и, следовательно, более плотным их размещением в полупроводниковом кристалле.
Глядя на аббревиатуры, относящиеся к оперативной памяти, несложно заметить, что все они состоят из сочетания DRAM: FPM DRAM, EDO DRAM, SDRAM и т.д. RAM (Random Access Memory) переводится с английского как «Запоминающее устройство с произвольным доступом» -
А буква D - сокращение от слова Dynamic, т. е. динамический. Память называется динамической, так как ячейка стандартного ОЗУ представляет собой конденсатор, сформированный внутри полупроводникового кристалла, хранящий электрический заряд. Как известно, конденсаторы могут самопроизвольно разряжаться, что приводит к потере информации. Чтобы этого не происходило, информацию нужно постоянно обновлять. Из-за непрерывной природы этого процесса такая память называется динамической.
В современных персональных компьютерах динамическая память реализуется на базе специальных цепей проводников, заменивших обычные конденсаторы. Большое количество таких цепей объединяются в корпусе одного динамического чипа. Однако подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно освежаться.
Так работают практически все типы микросхем оперативной памяти - от устаревших FPM DRAM до перспективных Rambus DRAM. Все остальные отличия между ними - уже технологические «довески», позволяющие выжать из обычных микросхем дополнительное быстродействие.
Эволюция микросхем памяти.
Эволюция микросхем ОЗУ вплотную связана с эволюцией персональных компьютеров. Для успеха настольных компьютеров требовались миниатюрные чипы ОЗУ. По мере увеличения ёмкости памяти цена скачкообразно возрастала, но потом постоянно уменьшалась по мере отработки технологии и роста объёмов производства.
Первые PC реализовывались на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому биту соответствовал свой собственный адрес. Где-то около года после представления XT появилось ОЗУ с большими возможностями и более эффективное с точки зрения его цены. Хотя новые микросхемы могли вмещать по 64 Кбит, она были дешевле чем 4 по 16 Кбит. Системная плата PC была создана с учётом использования новых микросхем памяти. Через несколько лет 64 К битные чипы стали настолько широко распространены, что стали дешевле чем 16 К битные микросхемы. К 1984 году был сделан ещё один шаг по увеличению объёма памяти в одном корпусе - появились 256 - К битные микросхемы. И RAM чипы этого номинала были установлены на первых AT.
А сегодня микросхемы в 16 Мбит стали обычным явлением. PC имел довольно простую архитектуру памяти, по крайней мере, если на неё смотреть сейчас с высоты последних достижений компьютерной индустрии. Память PC была представлена одним блоком, в котором каждый байт был доступен по указанию его адреса. Микросхемы памяти были разбиты на 9 банков, использующих в ранних PC 16-Кбитные, а затем и 64-Кбитные микросхемы. Восемь микросхем выделяли по одному биту для организации каждого байта памяти, девятая микросхема использовалась в качестве контрольного бита чётности. Когда микропроцессор 80286 стали использовать в AT и их аналогах, возникла проблема с организацией архитектуры памяти. Обычные микросхемы памяти не могли работать в таком быстром темпе, в котором работал микропроцессор. Поэтому пришлось использовать статус ожидания, в случае когда процессор требовал информацию из памяти, то есть микропроцессору приходилось зависать на один-два такта, что давало возможность памяти обработать запрос.
Когда - то всё было просто: частота центральных процессоров не превышала 10 МГц, что позволяло для системы ОЗУ применять микросхемы с временем доступа 100 нс., а то и больше. Кроме того, операционные системы и прикладные программы были нетребовательны к памяти: все они отлично работали с объёмом ОЗУ до 640 Кбайт.
Естественно, что тогда особого внимания объёму память никто не уделял. Даже при работе с оперативной памятью используется обычная системная шина PS - bus или ISA. Проблемы возникли после появления процессоров линии 80386: тактовая частота последних составляла от 16 до 33 (а позднее 40) МГц. Не сложно подсчитать, что при этом длина такта находится в диапазоне от 25 до 60 нс., что существенно меньше, чем у распространённых на тот момент микросхем DRAM. Новые прикладные программы постоянно требовали всё большего объёма ОЗУ, что повышало требования к скорости обмена с памятью. В сложившейся ситуации память стала одним из важнейших факторов, влияющих на повышение быстродействия компьютеров. Путём введения отдельной шины памяти удалось лишь немного увеличить быстродействие, т.к. тактовая частота ISA до сих пор фиксирована на 8 МГц. К тому же отдельная шина была 32-разрядной как новые процессоры. После этого появились сложности с быстродействием самих микросхем. Переход на чисто статическое ОЗУ был не выгоден: цена готового компьютера возросла бы на порядок, а то и более.
Именно тогда в РС стали активно применять кэш-память, сначала одноуровневую, а затем (после появления процессора j486)- двухуровневую. Впрочем, это не могло значительно улучшить ситуацию: нужно было увеличить быстродействие всего объёма оперативной памяти и в то же время сохранить старую элементарную базу. Изменение ситуации коренным образом было невозможно: несмотря на все попытки даже сейчас полный цикл доступа к случайной ячейки ОЗУ составляет не менее 50 нс. Разработчики поставили задачу: ускорить по крайней мере наиболее часто встречающиеся операции. Как показывает практика, чаще всего доступ к ячейкам памяти происходит не случайным образом, а последовательно.
Страничный режим, расслоение банков
Ещё одна разновидность архитектуры оперативной памяти компьютера - это её разбивка на отдельные секции. В современных процессорах, например, такая операция специально оптимизирована: для считывания нескольких подряд идущих слов памяти достаточно передать адрес первого, а не всех требуемых слов. Соответственно уменьшается число передач данных по шине, к тому же, чем больше слов пересылается за один раз (так называемый пакетный режим), тем больше выигрыш. Сделано это в первую очередь для ускорения обменов «память - кэш». Для ускорения работы памяти в пакетном режиме были разработаны различные «хитрые» способы хранения информации: страничный режим, расслоение банков, быстрый страничный режим (FPM) и т. д.
Большая скорость доступа к ограниченным областям памяти является особенностью некоторых специфических микросхем, которые позволяют некоторому объёму, но не всей памяти, быть считанному без цикла ожидания. Этот подход требует специальных RAM микросхем, которые делят свои адреса по страницам. Эта технология получила название режима страничного доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень быстрый доступ в одном из двух направлений их организаций. Если требуется чтение или запись информации, хранящейся на определённой странице памяти, и предыдущая команда по работе с памятью использовала информацию с той же страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны
Следующая интересная технология, названная interleavid memory, очень похожа на ОЗУ страничного режима. Она существенно повышает скорость обращения к памяти, но не имеет ограничений по страничной разбивке. При использовании этой технологии вся оперативная память разбивается на два или большее число банков. Последовательность битов хранится в разных банках, поэтому микропроцессор обращается то к одному, то к другому банку при чтении этой последовательности. Во время обращения к одному банку, другой реализует цикл обновления, и поэтому процессору не приходится ждать. И только, если микропроцессору приходится читать несмежные биты, статус ожидания неминуем, но вероятность его появления уменьшается.
Наиболее типовая реализация этой технологии представляется разбивкой оперативной памяти на два банка, А следовательно, вероятность возникновения ожидания - 50%..Четырёхбанковая организация уменьшает эту вероятность до 25%.
Так как данная технология не требует применения специальных микросхем памяти, она является наиболее удобной для повышения скорости системы. Кроме того она может совмещаться с ОЗУ страничного режима, что ещё больше увеличивает оперативность.
Память типа FPM DRAM использовалась долгие годы, а банки оказались настолько удачным решением, что используются в современной памяти по умолчанию, что оговорено в стандарте (например так сделано в SDRAM ).Всё это позволяло увеличивать быстродействие на несколько процентов, однако скорость работы нужно было повысить в несколько раз.