Операционно-запоминающие устройства и их классификация

РАДИОВТУЗ МАИ 
 

Практика  по НПП 
 
 
 
 

Реферат по теме: ОЗУ и их классификация 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

      ОЗУ может изготавливаться как отдельный  блок, или входить в конструкцию  однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.

      Запоминающее  устройство с произвольным доступом — ЗУПВ (или Запоминающее устройство произвольной выборки — ЗУПВ) (от англ. Random Access Memory) — один из видов памяти, позволяющий в любой момент времени получить доступ к любой ячейке по её адресу на чтение или запись.

      ЗУПВ  используются в качестве оперативной  памяти персонального компьютера.

      Предназначены для записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Подразделяются на статические и динамические. В статических ОЗУ запоминающий элемент представляет собой триггер, изготовленные по той или иной технологии (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и др.), что позволяет считывание информации без её потери. В динамических ОЗУ элементом памяти является ёмкость (например, входная ёмкость полевого транзистора), что требует восстановления записанной информации в процессе её хранения и использования. Это усложняет применение ОЗУ динамического типа, но позволяет реализовать больший объём памяти. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы синхронизации и регенерации, поэтому по внешним сигналам управления они не отличаются от статических. 

      Виды  ЗУПВ: 

      Полупроводниковая статическая (SRAM) — ячейки представляют собой полупроводниковые триггеры. Достоинства — небольшое энергопотребление, высокое быстродействие. Отсутствие необходимости производить «регенерацию». Недостатки — малый объём, высокая стоимость. Сейчас широко используется в качестве кеш-памяти процессоров в компьютерах.

      Полупроводниковая динамическая (DRAM) — каждая ячейка представляет собой конденсатор на основе перехода КМОП-транзистора. Достоинства — низкая стоимость, большой объём. Недостатки — необходимость периодического считывания и перезаписи каждой ячейки — т. н. «регенерации», и, как следствие, понижение быстродействия, большое энергопотребление. Процесс регенерации реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или в центральном процессоре. DRAM обычно используется в качестве оперативной памяти (ОЗУ) компьютеров.

      Ферромагнитная — представляет собой матрицу из проводников, на пересечении которых находятся кольца или биаксы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Достоинства — устойчивость к радиации, сохранение информации при выключении питания; недостатки — малая ёмкость, большой вес, стирание информации при каждом чтении. В настоящее время в таком, собранном из дискретных компонентов виде, не применяется. Однако к 2003 году появилась магнитная память MRAM в интегральном исполнении. Сочетая скорость SRAM и возможность хранения информации при отключённом питании, MRAM является перспективной заменой используемым ныне типам ROM и RAM. Однако она на сегодняшний день (2006 год) приблизительно вдвое дороже микросхем SRAM (при той же ёмкости и габаритах). 

      На  сегодня наибольшее распространение  имеют два вида ОЗУ: 

SRAM (Static RAM)

      ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом, или просто статической  памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи. 

DRAM (Dynamic RAM)

      Более экономичной вид памяти. Для хранения разряда (бита) используется схема, состоящая  из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов  два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и, во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов). Есть и свои минусы. Во-первых, память на основе конденсаторов работает медленнее, поскольку если в SRAM изменение напряжения на входе триггера сразу же приводит к изменению его состояния, то для того, чтобы установить в 1 бит на основе конденсатора, этот конденсатор нужно зарядить, а для того, чтобы бит установить в 0, соответственно, разрядить. А это гораздо более длительные (в 10 и более раз) операции, чем переключение триггера, даже если конденсатор имеет весьма небольшие размеры. Второй существенный минус — конденсаторы склонны к «стеканию» заряда; проще говоря, со временем конденсаторы разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их ёмкость. В связи с этим обстоятельством, дабы не потерять содержимое битов, конденсаторы необходимо регенерировать через определённый интервал времени, чтобы восстанавливать заряд. Регенерация выполняется путем считывания заряда (через транзистор). Контроллер памяти периодически приостанавливает все операции с памятью для регенерации её содержимого, что значительно снижает производительность данного вида ОЗУ. Память на конденсаторах получила своё название Dynamic RAM (динамическая память) как раз за то, что разряды в ней хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени.

      Таким образом, DRAM дешевле SRAM и её плотность  выше, что позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше битов, но при этом её быстродействие ниже. SRAM, наоборот, более быстрая память, но зато и дороже. В связи с этим обычную память строят на модулях DRAM, а SRAM используется для построения, например, кеш-памяти в микропроцессорах.

       Статическая оперативная  память с произвольным доступом (SRAM — Static Random Access Memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала без постоянной перезаписи, необходимой в динамической памяти (DRAM). Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (тритов) (чаще байтов (трайтов), зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM — sequental access memory).

      Типичная  ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на КМОП-технологии состоит из двух перекрёстно (кольцом) включенных инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке (рис.1.). Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

      Линия WL (Word Line) управляет двумя транзисторами  доступа. Линии BL и BL - битовые линии, используются и для записи данных и для чтения данных.

      Преимущества:

• Быстрый доступ. SRAM — это действительно память произвольного доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.
• Простая схемотехника — SRAM не требуются сложные контроллеры.
• Возможны очень низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов.

      Недостатки

• Высокое энергопотребление.
• Невысокая плотность записи (шесть элементов на бит, вместо двух у DRAM).
• Вследствие чего — дороговизна килобайта памяти.

      Тем не менее, высокое энергопотребление  не является принципиальной особенностью SRAM, оно обусловлено высокими скоростями обмена с данным видом внутренней памяти процессора. Энергия потребляется только в момент изменения информации в ячейке SRAM.

      Применение:

      SRAM применяется в микроконтроллерах  и ПЛИС, в которых объём ОЗУ  невелик (единицы килобайт), зато  нужны низкое энергопотребление  (за счёт отсутствия сложного контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта время работы подпрограмм и отладка прямо на устройстве.

      В устройствах с большим объёмом  ОЗУ рабочая память выполняется  как DRAM. SRAM’ом же делают регистры и  кэш-память.

      DRAM (Dynamic Random Access Memory) — один из видов компьютерной памяти с произвольным доступом (RAM), наиболее широко используемый в качестве ОЗУ современных компьютеров.

      Конструктивно память DRAM состоит из «ячеек» размером в 1 или 4 бит, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных. Совокупность «ячеек» такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор «ячеек» условно делится на несколько областей.

      Принцип действия 

      Физическое представление: 

      В современных компьютерах физически DRAM-память представляет собой электрическую плату — модуль, на котором расположены микросхемы памяти и разъём, необходимый для подключения модуля к материнской плате. Роль «ячеек» играют конденсаторы и транзисторы, расположенные внутри микросхем памяти. Конденсаторы заряжаются в случае, когда в «ячейку» заносится единичный бит, либо разряжаются в случае, когда в «ячейку» заносится нулевой бит. Транзисторы необходимы для удержания заряда внутри конденсатора. При отсутствии подачи электроэнергии к оперативной памяти, происходит разряд конденсаторов, и память опустошается. Это динамическое изменение заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Элементом памяти этого типа является чувствительный усилитель (англ. sense amp), подключенный к каждому из столбцов «прямоугольника». Он, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Именно страница является минимальной порцией обмена с динамической памятью, потому что обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен. 

      Характеристики  памяти DRAM: 

      Основными характеристиками DRAM являются тайминги и рабочая частота. Для обращения  к ячейке контроллер задаёт номер  банка, номер страницы в нём, номер  строки и номер столбца, на все запросы тратится время, помимо этого довольно большой период уходит на открытие и закрытие банка после самой операции. На каждое действие требуется время, называемое таймингом. Основными таймингами DRAM являются: задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного доступа (англ. RAS to CAS delay), задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки, называемая временем рабочего цикла (англ. CAS delay), задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки (англ. RAS precharge). Тайминги измеряются в наносекундах, и чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память. Рабочая частота измеряется в мегагерцах, и увеличение рабочей частоты памяти приводит к увеличению её быстродействия 

      Регенерация 

      В отличие от статической памяти типа SRAM (англ. static random access memory), которая является конструктивно более сложным  и более дорогим типом памяти RAM и используется в основном в  кэш—памяти, память DRAM изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости, которые быстро теряют заряд, поэтому информацию приходится обновлять через определённые периоды времени во избежание потерь данных. Этот процесс называется регенерацией памяти. Он реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или на кристалле центрального процессора. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка «ячеек», и через 8-64 мс обновляются все строки памяти.

      Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно «тормозит» работу системы, поскольку в это время обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, не применяется в современных типах DRAM. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса — расширенный, пакетный, распределенный; наиболее экономичной является скрытая регенерация.

      Из  новых технологий регенерации можно  выделить тип регенерации PASR (англ. Partial Array Self Refresh), применяемый компанией Samsung в чипах памяти SDRAM с низким уровнем энергопотребления. Регенерация «ячеек» выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные. Параллельно с этой технологией реализуется метод TCSR (англ. Temperature Compensated Self Refresh), который предназначен для регулировки скорости процесса регенерации в зависимости от рабочей температуры.