RAM за персонален компютър, резюме
По дисциплина: "Проектиране на персонален компютър"
По темата: "RAM на персонален компютър"
Най-простата схема на взаимодействие на RAM с процесора
RAM на персоналните компютри днес, както и преди десет години, се основава на сравнително евтина динамична памет - DRAM (Dynamic Random Access Memory). Много поколения логика на интерфейса са се променили през това време. Еволюцията имаше подчертан последователен характер - всяко ново поколение памет почти напълно наследи архитектурата на предишното, включително, наред с други неща, присъщите му ограничения. Ядрото на паметта (с изключение на подобряването на стандартите за дизайн, като например степента на интеграция) изобщо не претърпя фундаментални промени. Дори "революционната" Rambus Direct RDRAM не съдържа нищо наистина революционно и се вписва добре в общото "генеалогично" дърво на развитието на паметта.
Следователно устройството и принципите на функциониране на RAM се изучават най-добре от най-старите модели памет до най-модерните разработки.
Устройството и принципите на функциониране на паметта с произволен достъп
Ядрото на чипа с динамична памет се състои от много клетки, всяка от които съхранява само един бит информация. На физическо ниво клетките се обединяват в правоъгълна матрица, чиито хоризонтални линии се наричат редове (ROW), а вертикалните се наричат колони (Column) или страници (Page).
Линийките са обикновени проводници, в пресечната точка на които има клетки - просто устройство, състоящо се от един транзистор и един кондензатор.
Кондензаторът играе роляпряк пазител на информация. Обемът, който е - само един бит. Липсата на заряд върху плочите съответства на логическа нула, а наличието му - на логическа единица. Транзисторът играе ролята на "ключ", който предпазва кондензатора от разреждане. В спокойно състояние транзисторът е затворен, но ако се подаде електрически сигнал към съответния ред на матрицата, той ще се отвори, свързвайки кондензаторната пластина със съответната колона.
Чувствителен усилвател (sense amp), свързан към всяка от колоните на матрицата, реагиращ на слаб поток от електрони, преминаващ през отворените транзистори от кондензаторните пластини, чете цялата страница. Това е страницата, която е минималната част от обмена с ядрото на динамичната памет. Четенето/записването на една клетка е невъзможно! Всъщност отварянето на една линия води до отваряне на всички транзистори, свързани с нея, и следователно до разреждане на кондензатори, прикрепени към тези транзистори.
Четенето на клетка по своята същност е разрушително, тъй като сензорният усилвател разрежда кондензатора в процеса на четене на неговия заряд. Поради това динамичната памет е еднократна памет. За да се борят със загубата на памет, те прибягват до нейната регенерация - периодично четене на клетки с последващо презаписване. В зависимост от конструктивните характеристики, регенераторът може да бъде разположен както в контролера, така и в самия чип памет. В съвременните модули с памет регенераторът най-често е вграден в самата микросхема и преди регенерирането съдържанието на актуализираната линия се копира в специален буфер, който предотвратява блокиране на достъпа до информация.
Еволюцията на динамичната памет
В чиповете с памет, произведени преди средата на деветдесетте, имашезначителни недостатъци (големи закъснения при трансфер на данни, малка памет и др.). С появата на Intel Pentium 60 (1993) и Intel 486DX4 100 (1994) имаше нужда от подобряване на динамичната памет.
С увеличаването на тактовата честота на микропроцесорите беше необходимо висококачествено ново RAM решение, а не FPM DRAM оптимизация. И през 1996 г. е изобретен нов RAM интерфейс - EDO-DRAM. Основната му разлика беше, че всяка микросхема беше оборудвана със специален ключ, който задържаше линиите за данни след изчезването на сигнала за презареждане, което направи възможно деактивирането на сигнала за презареждане, преди данните да бъдат прочетени, като същевременно подготви микросхемата да получи следващия номер на колона.
МодулпаметEDO-DRAMBEDO (Burst EDO) - burst EDO RAM
Основното предимство на паметта BEDO спрямо EDO RAM беше, че тя работеше на възможно най-високата скорост с честота 66 MHz, т.е. тя беше включена
40% по-бързо от EDO-DRAM! Въпреки това, въпреки високоскоростните си показатели, BEDO се оказа неконкурентоспособен и практически не получи разпространение. Погрешното изчисление беше, че BEDO, както всички негови предшественици, остана асинхронна памет. Това наложи строги ограничения върху максималната достижима тактова честота, ограничена до 60 - 66 (75) мегахерца.
Появата на микропроцесори с 100 MHz шини доведе до радикална ревизия на механизма за управление на паметта и подтикна дизайнерите да създадат синхронна динамична памет - SDRAM (Synchronous-DRAM). Както подсказва името, чиповете SDRAM памет работят в синхрон с контролера, което гарантира завършване на цикъла в строго определено време. Също така номерата на редовете и колонитесе подават едновременно, по такъв начин, че докато пристигне следващият тактов импулс, сигналите вече са се стабилизирали и са готови за четене.
За разлика от FPM-DRAMEDO-DRAMBEDO, които презареждат вътрешните вериги, когато една страница е затворена, синхронната памет прави това автоматично, позволявайки на страниците да бъдат отворени толкова дълго, колкото желаете. Друго предимство е, че ширината на линиите за данни е увеличена от 32 на 64 бита, което удвоява производителността му.
МодулПаметSDRAM.DDR SDRAM, SDRAM II (Double Data Rate SDRAM)
По-нататъшното развитие на синхронната памет доведе до появата на DDR-SDRAM - Double Data Rate SDRAM (SDRAM двойна скорост на данни). Удвояването на скоростта се постига чрез предаване на данни както на фронта, така и на падането на тактовия импулс (в SDRAM прехвърлянето на данни се извършва само на фронта). Благодарение на това ефективната честота се удвоява - 100 MHz DDR-SDRAM е еквивалентен по производителност на 200 MHz SDRAM. Вярно е, че по маркетингови причини производителите на DDR микросхеми започнаха да ги маркират не с тактова /* работна */ честота, а с максимално постижимата производителност, измерена в мегабайти в секунда.
Дизайнът на управлението на матрицата (банката) на паметта също е претърпял промени. Първо, броят на банките се е увеличил от две на четири, и второ, всяка банка е придобила персонален контролер (да не се бърка с контролер на паметта!), В резултат на това вместо една микросхема получихме, така да се каже, четири, работещи независимо един от друг. Съответно максималният брой клетки, обработвани за цикъл, се е увеличил от една на четири.
RDRAM (Rambus DRAM) - Rambus памет
Direct се конкурира жестоко с DDR-SDRAMRDRAM, разработен от Rambus. Има само три основни разлики от паметта на предишните поколения:
а) увеличаване на тактовата честота чрез намаляване на ширината на шината,
б) едновременно предаване на номера на редове и колони на клетки,
в) увеличаване на броя на банките за увеличаване на паралелизма.
Увеличаването на тактовата честота води до рязко увеличаване на всички видове смущения и на първо място електромагнитните смущения, чийто интензитет обикновено е пропорционален на квадрата на честотата, а при честоти над 350 мегахерца обикновено се доближава до кубичен. Това обстоятелство налага изключително строги ограничения върху топологията и качеството на производството на печатни платки на микрочипови модули, което значително усложнява технологията на производство и цената на паметта. От друга страна, нивото на смущения може да бъде значително намалено, ако се намали броят на проводниците, т.е. намалете битовата дълбочина на микросхемата. Точно по този начин отиде Rambus, компенсирайки увеличението на честотата до 400 MHz (като се вземе предвид технологията DDR, ефективната честота е 800 MHz) чрез намаляване на ширината на шината за данни до 16 бита (плюс два бита за ECC). Така Direct RDRAM е четири пъти по-бърз от DDR по отношение на честотата, но изостава от него по отношение на битовата дълбочина със същия фактор.
По този начин използването на RDRAM в домашни и офис компютри не е оправдано по никакъв начин. За високопроизводителни работни станции най-добрият избор е DDR-SDRAM, който не е по-нисък от RDRAM по производителност, но значително превъзхожда последния по отношение на цената.