Память DDR SDRAM

Содержание

Введение

Одним из важнейших устройств компьютера является оперативная память. По определению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ОЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Именно из оперативной памяти процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память.

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре, созданных в 40-ых  в начале 50-ых годов XX века. За эти 50 лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память.

1.Оперативная память

Общеизвестно, что производительность компьютера зависит от объема установленной оперативной памяти. Память лишней не бывает — этот базовый принцип, высказанный еще в конце 1940-х годов фон Нейманом, остается актуальным и сегодня. Поэтому на вопрос «Сколько памяти нужно ставить?» ответ прост: чем больше, тем лучше. Шесть лет назад для рабочих ПК вполне хватало 64—128 Мбайт оперативной памяти, теперь же нужно иметь уже как минимум 512 Мбайт. Связано это, прежде всего, с наметившейся тенденцией смещения приложений в сторону их мультимедийности.

Оперативная память является одним из важнейших элементов компьютера. Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается. Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (Random Access Memory, то есть память с произвольным доступом).

2.Память DDR SDRAM

Самый простой способ увеличения максимальной пропускной способности памяти заключается в увеличении частоты ее работы. Однако на практике реализовать это совсем не просто. Вспомним, что элементарной ячейкой динамической памяти является конденсатор — инерционное по своей природе устройство. Чтобы произвести считывание информации с конденсатора, необходимо его разрядить, для чего требуется определенное время, пропорциональное емкости конденсатора, сделать это мгновенно невозможно. Следовательно, нельзя повышать частоту ядра памяти до бесконечности. Кроме того, динамическая память требует периодической регенерации, чтобы восстанавливать заряды конденсаторов, а для зарядки конденсаторов тоже необходим определенный временной интервал. В результате повышение частоты ядра памяти сопряжено с непреодолимыми трудностями. Конечно, применение более миниатюрных конденсаторов повышает их быстро‚ действие, однако для этого нужно использовать иную проектную норму при производстве чинов памяти. К тому же переход на новый технологический процесс производства не может кардинально увеличить скорость работы памяти.

Поэтому, кроме банального увеличения частоты работы памяти, для увеличения ее пропускной способности часто используют иные приемы. О некоторых из них, таких как пакетный режим передачи и организация чередующихся банков, мы уже упоминали. Однако более кардинальным способом увеличения пропускной способности памяти стал переход к стандарту DDR. Синхронная динамическая память DDRA SDRAM пришла на смену SDRAM и обеспечивает в два раза большую пропускную способность. Аббревиатура DDR (Double Data Rate) в названии памяти означает удвоенную скорость передачи данных. Аналогично обычную SDRAM-память называют SDR (Single Data Rate), то есть памятью с одинарной скоростью передачи.

Как уже отмечалось, основным сдерживающим элементом увеличения тактовой частоты работы памяти является само ядро памяти (массив элементов хранения). Однако, кроме ядра памяти, в модуле присутствуют и буферы промежуточного хранения (I/О logiс), через которые ядро памяти обменивается данными с шиной памяти. Эти буферы имеют значительно более высокое быстродействие нежели само ядро, поэтому тактовую частоту работы самой шины памяти и буферов обмена можно легко увеличить. Именно такой способ и используется в DDR-памяти.

В обычной SDRAM-памяти ядро и буферы обмена работают в синхронном режиме на одной и той же частоте. Передача каждого бита из буфера происходит с каждым тактом работы ядра памяти

В DDR-памяти каждый буфер ввода-вывода передает два бита за один такт, то есть фактически работает на удвоенной тактовой частоте, оставаясь при этом полностью синхронизированным с ядром памяти. Однако, чтобы такой режим работы стан нения). возможным, необходимо, чтобы эти два бита были доступны буферу ввода—вывода на каждом такте работы памяти. Для этого требуется, чтобы каждая команда чтения приводила к передаче из ядра памяти в буфер сразу двух бит. Для этого используются две независимые линии передачи от ядра памяти к буферам ввода-вывода. Из буфера ввода-вывода биты затем поступают на шину данных в требуемом порядке.

Поскольку при таком способе организации работы памяти происходит предвыборка двух бит перед передачей их на шину данных, этот способ также называет Рrе- каждым fetch 2 (предвыборка 2).

Чтобы синхронизировать работу ядра памяти и буферов ввода-вывода, используется одна и та же тактовая частота (одни и те же тактирующие импульсы). Только если в самом ядре памяти синхронизация осуществляется по положительному фронту тактирующего импульса, то в буфере ввода-вывода для синхронизации используется как положительный, так и отрицательный фронт тактирующего импульса. Таким образом, передача двух бит в буфер ввода-вывода по двум раздельным линиям осуществляется по положительному фронту тактирующего импульса, а их выдача на шину данных происходит как по положительному, так и по отрицательному фронтам тактирующего импульса. Это обеспечивает в два раза более высокую скорость работы буфера и, соответственно, вдвое большую пропускную способность памяти.

Все же остальные принципиальные моменты DDR-памяти не изменились: структура нескольких независимых банков позволяет совмещать выборку данных из одного банка с установкой адреса в другом банке, то есть можно одновременно иметь две открытые страницы. доступ к этим страницам чередуется (Bank interleaving), что приводит к устранению задержек и обеспечивает создание непрерывного потока данных.

DDR-память настраивается  в процессе работы путем установки  соответствующих регистров, как  и SDRAM-память. Кроме того, DDR-память, как  и SDRAM, предназначена для работы  с системными частотами 100 и 133, 166 и 200,216,250 и 266 МГц DDR-память, работающую  на частоте 100 МГц, иногда обозначают  как DDR2ОО, подразумевая при этом, что <<эффективная>> частота памяти  составляет 200 МГц (данные передаются  два раза за такт). Аналогично, при работе памяти на частоте 133 МГц используют обозначение DDR266, при частоте 166 МГц — DDRЗЗЗ, при  частоте 200 МГц - DDR400 и т. д. Нетрудно  рассчитать и пропускную способность DDR-памяти. Учитывая, что ширина шины  данных составляет 8 байт, для памяти DDR2ОО получим 200 МГц х 8 байт = 1,6 Гбайт/с, для памяти DDR266 — 2,1 Гбайт/с, для DDR333 — 2,7 Гбайт/с, для DDR4ОО — 3,2 Гбайт/с, для DDR433 — 3,5 Гбайт/с, для DDR500 — 4,0 Гбайт/с, для DDR5ЗЗ — 4,3 Гбайт/с.

ПРИМЕЧАНИЕ 

Хотя обозначение типа DDR200, DDR266, DDR333 и т. д. кажется вполне логичным и понятным, официально принято другое обозначение этой памяти. В названии используется не 4эффективная» частота, а пиковая пропускная способность, то есть память DDR200 обозначается как DDR РС 1600, DDR2б6 — как DDR РС2100, DDRЗЗЗ - как РС2700, а DDR4ОО — то есть как РСЗ2ОО.

Кроме частоты, память, как уже отмечалось, характеризуется схемой тайминга (tCL→tRCD→tRp). для памяти DDR2ОО тайминг всегда 2-2-2, а вот для остальных типов памяти тайминг может быть различным, К примеру, встречаются тайминги 3-3-3, 2,5-3-3, 2-3-3 и 2,5-2-2.  
В настоящее время память DDR4ОО является наиболее распространенной. Кроме того, во всех современных чипсетах частота шины памяти не превосходит 400 МГц, а память типа DDR433, DDR500 и DDR5ЗЗ является нестандартизированной.

Возникает логичный вопрос: если эти типы памяти не поддерживаются материнскими платами и не стандартизированы, то зачем они вообще нужны?

Дело в том, что память типа DDR433, DDR500 и DDR533 отличается от остальных типов памяти только способностью работать на более высоких частотах ядра памяти. Это, во-первых, не препятствует ее использованию и на более низких частотах, а во-вторых, позволяет применять при разгоне системы. Кроме того, при использовании этих типов памяти на частоте 400 МГц возможно уменьшение таймингов памяти (идеальный случай соответствует таймингу 2-2-2), что можно рассматривать как своеобразный разгон памяти.

3.Типы оперативной памяти

Оперативная память (RAM, Random Access Memory, память произвольного доступа) - это энергозависимая среда, в которую загружаются и в которой находятся прикладные программы и данные в момент, пока вы с ними работаете. Когда вы заканчиваете работу, информация удаляется из оперативной памяти. Если необходимо обновление соответствующих дисковых данных, они перезаписываются. Это может происходить автоматически, но часто требует команды от пользователя. При выключении компьютера вся информация из оперативной памяти теряется.

В связи с этим трудно недооценить все значение оперативной памяти. Однако до недавнего времени эта область компьютерной индустрии практически не развивалась (по сравнению с другими направлениями). Взять хотя бы видео, аудио подсистемы, производительность процессоров и. т. д. Усовершенствования были, но они не соответствовали темпам развития других компонентов и касались лишь таких параметров, как время выборки, был добавлен кэш непосредственно на модуль памяти, конвейерное исполнение запроса, изменен управляющий сигнал вывода данных, но технология производства оставалась прежней, исчерпавшей свой ресурс. Память становилась узким местом компьютера, а, как известно, быстродействие всей системы определяется быстродействием самого медленного ее элемента. И вот несколько лет назад волна технологического бума докатилась и до оперативной памяти. Быстрое усовершенствование оперативной памяти позволило кроме ее усовершенствования, значительно снизить цену на нее.

От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит возможность, какими программами вы сможете на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно. Можно привести следующую приблизительную классификацию возможностей компьютера, в зависимости от объема оперативной памяти: 

1 Мбайт и менее - на  компьютере возможна работа только  в среде DOS. Такие компьютеры можно  использовать для корректировки  текстов или ввода данных; 

4 Мбайта - на компьютере  возможна работа в среде DOS, Windows 3.1 и Windows for Workgroups. Работа в DOS вполне  комфортна, а в Windows - нет: некоторые Windows-программы при таком объеме  памяти не работают , а некоторые  позволяют обрабатывать лишь  небольшие и несложные документы. Одновременный запуск нескольких Windows-программ также может быть  затруднен; 

8 Мбайт - обеспечивается  комфортная работа в среде Windows 3.1, Windows for Workgroups, при этом дальнейшее  увеличение объема оперативной  памяти уже практически не  повышает быстродействие для  большинства офисных приложений. Использование более новых операционных  систем, как Windows 95 и OS/2 Warp, в принципе  возможно, но работать они будут  явно медленно; 16 Мбайт - обеспечивается  комфортная работа в операционных  системах Windows 95 и OS/2, причем дальнейшее  увеличение объема оперативной  памяти уже практически не  повышает быстродействие при  выполнении большинства офисных  приложений. Возможно использование Windows NT, хотя ей не помешает  добавить еще 8-16 Мбайт; 

32 Мбайта и более - такой  объем оперативной памяти может  требоваться для серверов локальных  сетей, компьютеров, используемых для  обработки фотоизображений или  видеофильмов, и в некоторых других  приложениях. Полезен он может  быть и для компьютеров, работающих  под управлением ОС Windows NT. 

3.1.Память типа DRAM

Динамическая оперативная память (Dynamic RAM — DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти современных персональных компьютеров. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т. е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости.

Ячейки памяти в микросхеме DRAM — это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т. е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут "стекать" и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128?15 мкс) прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах, работающих на частотах, равных сотням мегагерц, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторых ячейках памяти заряд "стечет", а это вызовет сбои памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации.

Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры. При автоматической установке системная плата считывает параметры синхронизации из системы обнаружения последовательности в ПЗУ (serial presence detect — SPD) и устанавливает частоту периодической подачи импульсов в соответствии с полученными данными.