Построение и характеристики оперативной памяти и кэш-памяти

Оперативная память – это рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (оперативная память является энергозависимой).

В современных компьютерах используются запоминающие устройства трех основных типов:

· ROM (Read Only Memory) – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), не способное выполнять операцию записи данных.

· DRAM (Dynamic Random Access Memory) – динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки.

· SRAM (Static RAM) – статическая оперативная память.

В памяти типа ROM (Read Only Memory), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), данные можно только хранить, изменять их нельзя. Именно поэтому такая память используется только для чтения данных. ROM также часто называется энергонезависимой памятью, потому что любые данные, записанные в нее, сохраняются при выключении питания. Поэтому в ROM помещаются команды запуска персонального компьютера, т. е. программное обеспечение, которое загружает систему. В современных компьютерах типовое значение ПЗУ от 128 Кбайт до 2 Мбайт. Основной код BIOS содержится в микросхеме ROM на системной плате, но на платах адаптеров также имеются аналогичные микросхемы.

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.

Память типа SDRAM – это тип динамической оперативной памяти DRAM, работа которой синхронизируется с шиной памяти. SDRAM передает информацию в высокоскоростных пакетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс. SDRAM позволяет избежать использования большинства циклов ожидания, необходимых при работе асинхронной DRAM, поскольку сигналы, по которым работает память такого типа, синхронизированы с тактовым генератором системной платы.

Память DDR (Double Data Rate) – двойная скорость передачи данных) – это еще более усовершенствованный стандарт SDRAM, при использовании которого скорость передачи данных удваивается. Это достигается не за счет удвоения тактовой частоты, а за счет передачи данных дважды за один цикл: первый раз в начале цикла, а второй – в конце. Именно благодаря этому и удваивается скорость передачи (причем используются те же самые частоты и синхронизирующие сигналы). Главным изменением в DDR2 является возможность выборки сразу 4 бит данных за такт (4n-prefetch), в противоположность 2-битной выборке (2n - prefetch), реализованной в DDR. Это значит, что на каждом такте шины памяти DDR2 осуществляет пересылку 4 бит информации из логических (внутренних) банков микросхемы памяти в буферы ввода-вывода по одной линии интерфейса данных, тогда как обычная DDR способна переслать лишь 2 бита за такт на линию.

Существует тип памяти, совершенно отличный от других, – статическая оперативная память(Static RAM – SRAM). Она названа так потому, что, в отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры. Время доступа SRAM не более 2 нс; это означает, что такая память может работать синхронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из шести транзисторов. Использование транзисторов без каких-либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено.

По сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее гораздо ниже, а цена довольно высока. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластеризованное их размещение не только увеличивает габариты микросхем SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM. Таким образом, габариты SRAM в среднем в 30 раз превышают размер динамической оперативной памяти, то же самое можно сказать и о стоимости. Все это не позволяет использовать память типа SRAM в качестве оперативной памяти в персональных компьютерах.

Несмотря на это, разработчики все-таки применяют память типа SRAM для повышения эффективности ПК. Но во избежание значительного увеличения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной памяти SRAM, которая используется в качестве кэш-памяти. Кэш-память работает на тактовых частотах, близких, или даже равных, тактовым частотам процессора, причем обычно именно эта память непосредственно используется процессором при чтении и записи. Во время операций чтения данные в высокоскоростную кэш-память предварительно записываются из оперативной памяти с низким быстродействием.

Эффективность кэш-памяти выражается коэффициентом совпадения, или коэффициентом успеха. Коэффициент совпадения равен отношению количества удачных обращений в кэш к общему количеству обращений. Попадание – это событие, состоящее в том, что необходимые процессору данные предварительно считываются в кэш из оперативной памяти, иначе говоря, в случае попадания процессор может считывать данные из кэш-памяти. Неудачным обращением в кэш считается такое, при котором контроллер кэша не предусмотрел потребности в данных, находящихся по указанному абсолютному адресу. В таком случае необходимые данные не были предварительно считаны в кэш-память, поэтому процессор должен отыскать их в более медленной оперативной памяти, а не в быстродействующем кэше.

Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в современных персональных компьютерах обычно предусмотрены два типа кэш-памяти: кэш-память первого уровня (L1) и кэш-память второго уровня (L2). Кэш-память работает синхронно с шиной процессора, что повышает ее быстродействие и эффективность.

Быстродействие памяти определяется временем выполнения операций записи и считывания данных. Основными параметрами любых элементов памяти является минимальное время доступа и длительность цикла обращения. Время доступа (access time) определяется как задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения, длительность цикла – как минимальный период следующих друг за другом обращений к памяти, причем циклы чтения и записи могут требовать различных затрат времени. Производительность памяти можно характеризовать как скорость потока записываемых или считываемых данных и измерять в мегабайтах в секунду.

Производительность памяти, как основной, так и кэша второго уровня, обычно характеризуют длительностью пакетных циклов чтения (memory burst read cycle). Пакетный режим обращения является основным для процессоров, использующих кэш (класса 486 и выше); циклы чтения выполняются гораздо чаще, чем циклы записи (хотя бы потому, что процессору приходится все время считывать инструкции из памяти). Эта длительность выражается в числе тактов системной шины, требуемом для передачи очередной порции данных в пакете. Обозначение вида 5-3-3-3 для диаграммы пакетного цикла чтения соответствует пяти тактам на считывание первого элемента в цикле и трем тактам на считывание каждого из трех последующих элементов. Первое число характеризует латентность (latency) памяти – время ожидания данных, последующие – скорость передачи. При этом, конечно же, оговаривается и частота системной шины.

Важнейшая характеристика памяти, от которой зависит производительность – это пропускная способность, которая выражается как произведение частоты системной шины на объем данных, передаваемых за каждый такт. В случае с памятью SDRAM мы имеет шину шириной 64 бита или 8 байт, следовательно, к примеру, пропускная способность памяти типа DDR333 составляет 333 МГц · 8 Байт = 2,7 Гбайта/ с или 2700 Мбайт/ с.

Тем не менее, частота работы памяти и, следовательно, ее теоретическая пропускная способность не являются единственными параметрами, отвечающими за производительность. В действительности не менее важную роль играют и латентность памяти, т. е. значения задержек между подачей команды и ее выполнением. Эти значения принято называть таймингами, которые выражаются в тактах, прошедших между моментом поступлением какой-либо команды и ее реальным исполнением.

Общее правило такое: чем меньше тайминги при одной тактовой частоте, тем быстрее память.