Динамические оперативные запоминающие устройства

Динамической памяти в вычислительной машине значительно больше, чем стати­ческой, поскольку именно DRAM используется в качестве основной памяти ВМ. Как и SRAM, динамическая память состоит из ядра (массива ЗЭ) и интерфейсной логики (буферных регистров, усилителей чтения данных, схемы регенерации и др.).

В отличие от SRAM адрес ячейки DRAM передается в микросхему за два шага — вначале адрес столбца, а затем строки, что позволяет сократить количество выво­дов шины адреса примерно вдвое, уменьшить размеры корпуса и разместить на материнской плате большее количество микросхем. Это, разумеется, приводит к снижению быстродействия, так как для передачи адреса нужно вдвое больше вре­мени. Для указания, какая именно часть адреса передается в определенный момент, служат два вспомогательных сигнала RAS и CAS. При обращении к ячейке памя­ти на шину адреса выставляется адрес строки. После стабилизации процессов на шине подается сигнал RAS и адрес записывается во внутренний регистр микро­схемы памяти. Затем на шину адреса выставляется адрес столбца и выдается сиг­нал CAS. В зависимости от состояния линии WE производится чтение данных из ячейки или их запись в ячейку (перед записью данные должны быть помещены на шину данных). Интервал между установкой адреса и выдачей сигнала RAS (или CAS) оговаривается техническими характеристиками микросхемы, но обычно ад­рес выставляется в одном такте системной шины, а управляющий сигнал — в сле­дующем. Таким образом, для чтения или записи одной ячейки динамического ОЗУ требуется пять тактов, в которых происходит соответственно: выдача адреса строки, выдача сигнала RAS, выдача адреса столбца, выдача сигнала CAS, выполнение операции чтения/записи (в статической памяти процедура занимает лишь от двух до трех тактов).

Рис. 5.10. Классификация динамических ОЗУ: а — микросхемы для основной памяти; б — микросхемы для видеоадаптеров

Следует также помнить о необходимости регенерации данных. Но наряду с ес­тественным разрядом конденсатора ЗЭ со временем к потере заряда приводит так­же считывание данных из DRAM, поэтому после каждой операции чтения данные должны быть восстановлены. Это достигается за счет повторной записи тех же данных сразу после чтения. При считывании информации из одной ячейки факти­чески выдаются данные сразу всей выбранной строки, но используются только те, которые находятся в интересующем столбце, а все остальные игнорируются. Та­ким образом, операция чтения из одной ячейки приводит к разрушению данных всей строки, и их нужно восстанавливать. Регенерация данных после чтения выполняется автоматически интерфейсной логикой микросхемы, и происходит это сразу же после считывания строки. Теперь рассмотрим различные типы микросхем динамической памяти, начнем с системных DRAM, то есть микросхем, предназначенных для использования в ка­честве основной памяти. На начальном этапе это были микросхемы асинхронной памяти, работа которых не привязана жестко к тактовым импульсам системной шины.

Асинхронные динамические ОЗУ. Микросхемы асинхронных динамических ОЗУ управляются сигналами RAS и CAS, и их работа в принципе не связана непосред­ственно тактовыми импульсами шины. Асинхронной памяти свойственны допол­нительные затраты времени на взаимодействие микросхем памяти и контроллера. Так, в асинхронной схеме сигнал RAS будет сформирован только после поступле­ния в контроллер тактирующего импульса и будет воспринят микросхемой памя­ти через некоторое время. После этого память выдаст данные, но контроллер смо­жет их считать только по приходу следующего тактирующего импульса, так как он должен работать синхронно с остальными устройствами ВМ. Таким образом, на протяжении цикла чтения/записи происходят небольшие задержки из-за ожида­ния памятью контроллера и контроллером памяти.

Микросхемы DRAM. В первых микросхемах динамической памяти применялся наиболее простой способ обмена данными, часто называемый традиционным (con­ventional). Он позволял считывать и записывать строку памяти только на каждый пятый такт (рис. 5.11, а). Этапы такой процедуры были описаны ранее. Традици­онной DRAM соответствует формула 5-5-5-5. Микросхемы данного типа могли работать на частотах до 40 МГц и из-за своей медлительности (время доступа со­ставляло около 120 не) просуществовали недолго.

Микросхемы FPMDRAM. Микросхемы динамического ОЗУ, реализующие ре­жим FPM, также относятся к ранним типам DRAM. Сущность режима была пока­зана ранее. Схема чтения для FPM DRAM (рис. 5.11, 6) описывается формулой 5-3-3-3 (всего 14 тактов). Применение схемы быстрого страничного доступа по­зволило сократить время доступа до 60 не, что, с учетом возможности работать на более высоких частотах шины, привело к увеличению производительности памя­ти по сравнению с традиционной.DRAM приблизительно на 70%. Данный тип микросхем применялся в персональных компьютерах примерно до 1994 года.

Микросхемы EDO DRAM. Следующим этапом в развитии динамических ОЗУ стали ИМС с гиперстраничным режимом доступа (НРМ, Hyper Page Mode), бо­лее известные как EDO (Extended Data Output — расширенное время удержания данных на выходе). Главная особенность технологии — увеличенное по сравне­нию с FPM DRAM время доступности данных на выходе микросхемы. В микро­схемах FPM DRAM выходные данные остаются действительными только при ак­тивном сигнале CAS, из-за чего во втором и последующих доступах к строке нужно три такта: такт переключения CAS в активное состояние, такт считывания данных и такт переключения CAS в неактивное состояние. В EDO DRAM по активному (спадающему) фронту сигнала CAS данные запоминаются во внутреннем регистре, где хранятся еще некоторое время после того, как поступит следующий активный фронт сигнала. Это позволяет использовать хранимые данные, когда CAS уже переведен в неактивное состояние (рис. 5.11, б). Иными словами, временные пара­метры улучшаются за счет исключения циклов ожидания момента стабилизации данных на выходе микросхемы.

Схема чтения у EDO DRAM уже 5-2-2-2, что на 20% быстрее, чем у FPM. Вре­мя доступа составляет порядка 30-40 не. Следует отметить, что максимальная ча­стота системной шины для микросхем EDO DRAM не должна была превышать 66 МГц.

Микросхемы BEDO DRAM. Технология EDO была усовершенствована компа­нией VIA Technologies. Новая модификация EDO известна как BEDO (Burst EDO — пакетная EDO). Новизна метода в том, что при первом обращении считы­вается вся строка микросхемы, в которую входят последовательные слова пакета. За последовательной пересылкой слов (переключением столбцов) автоматически следит внутренний счетчик микросхемы. Это исключает необходимость выдавать адреса для всех ячеек пакета, но требует поддержки со стороны внешней логики. Способ позволяет сократить время считывания второго и последующих слов еще на один такт (рис. 5.11, г), благодаря чему формула приобретает вид 5-1-1-1.

Микросхемы EDRAM. Более быстрая версия DRAM была разработана подраз­делением фирмы Ramtron — компанией Enhanced Memory Systems. Технология реализована в вариантах FPM, EDO и BEDO. У микросхемы более быстрое ядро и внутренняя кэш-память. Наличие последней — главная особенность технологии. В роли кэш-памяти выступает статическая память (SRAM) емкостью 2048 бит. Ядро EDRAM имеет 2048 столбцов, каждый из которых соединен с внутренней кэш-памятью. При обращении к какой-либо ячейке одновременно считывается целая строка (2048 бит). Считанная строка заносится в SRAM, причем перенос информации в кэш-память практически не сказывается на быстродействии, по­скольку происходит за один такт. При дальнейших обращениях к ячейкам, отно­сящимся к той же строке, данные берутся из более быстрой кэш-памяти. Следую­щее обращение к ядру происходит при доступе к ячейке, не расположенной в строке, хранимой в кэш-памяти микросхемы.

Технология наиболее эффективна при последовательном чтении, то есть когда среднее время доступа для микросхемы приближается к значениям, характерным для статической памяти (порядка 10 нс). Главная сложность состоит в несовмес­тимости с контроллерами, используемыми при работе с другими видами DRAM.

Синхронные динамические ОЗУ. В синхронных DRAM обмен информацией син­хронизируется внешними тактовыми сигналами и происходит в строго определен­ные моменты времени, что позволяет взять все от пропускной способности шины «процессор-память» и избежать циклов ожидания. Адресная и управляющая ин­формация фиксируются в ИМС памяти. После чего ответная реакция микросхе­мы произойдет через четко определенное число тактовых импульсов, и это время процессор может использовать для других действий, не связанных с обращением к памяти. В случае синхронной динамической памяти вместо продолжительности цикла доступа говорят о минимально допустимом периоде тактовой частоты, и речь уже идет о времени порядка 8-10 не.

Микросхемы SDRAM. Аббревиатура SDRAM (Synchronous DRAM — синхрон­ная DRAM) используется для обозначения микросхем «обычных» синхронных динамических ОЗУ. Кардинальные отличия SDRAM от рассмотренных выше асин­хронных динамических ОЗУ можно свести к четырем положениям:

 синхронный метод передачи данных на шину;

 конвейерный механизм пересылки пакета;

 применение нескольких (двух или четырех) внутренних банков памяти;

 передача части функций контроллера памяти логике самой микросхемы.

Синхронность памяти позволяет контроллеру памяти «знать» моменты готов­ности данных, за счет чего снижаются издержки циклов ожидания и поиска дан­ных. Так как данные появляются на выходе ИМС одновременно с тактовыми им­пульсами, упрощается взаимодействие памяти с другими устройствами ВМ.

В отличие от BEDO конвейер позволяет передавать данные пакета по тактам, благодаря чему ОЗУ может работать бесперебойно на более высоких частотах, чем асинхронные ОЗУ. Преимущества конвейера особенно возрастают при передаче длинных пакетов, но не превышающих длину строки микросхемы.

Значительный эффект дает разбиение всей совокупности ячеек на независи­мые внутренние массивы (банки). Это позволяет совмещать доступ к ячейке одного банка с подготовкой к следующей операции в остальных банках (перезарядкой управляющих цепей и восстановлением информации). Возможность держать открытыми одновременно несколько строк памяти (из разных банков) также спо­собствует повышению быстродействия памяти. При поочередном доступе к бан­кам частота обращения к каждому из них в отдельности уменьшается пропор­ционально числу банков и SDRAM может работать на более высоких частотах. Благодаря встроенному счетчику адресов SDRAM, как и BEDO DRAM, позволя­ет производить чтение и запись в пакетном режиме, причем в SDRAM длина паке­та варьируется и в пакетном режиме есть возможность чтения целой строки памя­ти. ИМС может быть охарактеризована формулой 5-1-1-1. Несмотря на то, что формула для этого типа динамической памяти такая же, что и у BEDO, способ­ность работать на более высоких частотах приводит к тому, что SDRAM с двумя банками при тактовой частоте шины 100 МГц по производительности может по­чти вдвое превосходить память типа BEDO.

Микросхемы DDR SDRAM. Важным этапом в дальнейшем развитии техноло­гии SDRAM стала DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM - SDRAM с удвоен­ной скоростью передачи данных). В отличие от SDRAM новая модификация вы­дает данные в пакетном режиме по обоим фронтам импульса синхронизации, за счет чего пропускная способность возрастает вдвое. Существует несколько специ­фикаций DDR SDRAM, в зависимости от тактовой частоты системной шины: DDR266, DDR333, DDR400, DDR533. Так, пиковая пропускная способность мик­росхемы памяти спецификации DDR333 составляет 2,7 Гбайт/с, а для DDR400 — 3,2 Гбайт/с. DDR SDRAM в настоящее время является наиболее распространен­ным типом динамической памяти персональных ВМ.

Микросхемы RDRAM, DRDRAM. Наиболее очевидные способы повышения эффективности работы процессора с памятью — увеличение тактовой частоты шины либо ширины выборки (количества одновременно пересылаемых разрядов). К сожалению, попытки совмещения обоих вариантов наталкиваются на существен­ные технические трудности (с повышением частоты усугубляются проблемы элек­тромагнитной совместимости, труднее становится обеспечить одновременность поступления потребителю всех параллельно пересылаемых битов информации). В большинстве синхронных DRAM (SDRAM, DDR) применяется широкая вы­борка (64 бита) при ограниченной частоте шины.

Принципиально отличный подход к построению DRAM был предложен ком­панией Rambus в 1997 году. В нем упор сделан на повышение тактовой частоты до 400 МГц при одновременном уменьшении ширины выборки до 16 бит. Новая па­мять известна как RDRAM (Rambus Direct RAM). Существует несколько разно­видностей этой технологии: Base, Concurrent и Direct. Во всех тактирование ведется по обоим фронтам синхросигналов (как в DDR), благодаря чему результирующая частота составляет соответственно 500-600, 600-700 и 800 МГц. Два первых ва­рианта практически идентичны, а вот изменения в технологии Direct Rambus (DRDRAM) весьма значительны.

Сначала остановимся на принципиальных моментах технологии RDRAM, ори­ентируясь в основном на более современный вариант — DRDRAM. Главным от­личием от других типов DRAM является оригинальная система обмена данными между ядром и контроллером памяти, в основе которой лежит так называемый «канал Rambus», применяющий асинхронный блочно-ориентированный протокол. На логическом уровне информация между контроллером и памятью передается пакетами.

Различают три вида пакетов: пакеты данных, пакеты строк и пакеты столбцов. Пакеты строк и столбцов служат для передачи от контроллера памяти команд уп­равления соответственно линиями строк и столбцов массива запоминающих эле­ментов. Эти команды заменяют обычную систему управления микросхемой с по­мощью сигналов RAS, CAS, WE и CS.

Микросхемы SLDRAM. Потенциальным конкурентом RDRAM на роль стандарта архитектуры памяти для будущих персональных ВМ выступает новый вид ди­намического ОЗУ, разработанный консорциумом производителей ВМ SyncLink Consortium и известный под аббревиатурой SLDRAM. В отличие от RDRAM, тех­нология которой является собственностью компаний Rambus и Intel, данный стан­дарт — открытый. На системном уровне технологии очень похожи. Данные и ко­манды от контроллера к памяти и обратно в SLDRAM передаются пакетами по 4 или 8 посылок. Команды, адрес и управляющие сигналы посылаются по однонап­равленной 10-разрядной командной шине. Считываемые и записываемые данныепередаются по двунаправленной 18-разрядной шине данных. Обе шины работают на одинаковой частоте. Пока что еще эта частота равна 200 МГц, что, благодаря технике DDR, эквивалентно 400 МГц. Следующие поколения SLDRAM должны работать на частотах 400 МГц и выше, то есть обеспечивать эффективную частоту более 800 МГц.

К одному контроллеру можно подключить до 8 микросхем памяти. Чтобы из­бежать запаздывания сигналов от микросхем, более удаленных от контроллера, временные характеристики для каждой микросхемы определяются и заносятся в ее управляющий регистр при включении питания.

Микросхемы ESDRAM. Это синхронная версия EDRAM, в которой использу­ются те же приемы сокращения времени доступа. Операция записи в отличие от чтения происходит в обход кэш-памяти, что увеличивает производительность ESDRAM при возобновлении чтения из строки, уже находящейся в кэш-памяти. Благодаря наличию в микросхеме двух банков простои из-за подготовки к опера­циям чтения/записи сводятся к минимуму. Недостатки у рассматриваемой мик­росхемы те же, что и у EDRAM — усложнение контроллера, так как он должен учитывать возможность подготовки к чтению в кэш-память новой строки ядра. Кроме того, при произвольной последовательности адресов кэш-память задейству­ется неэффективно.

Микросхемы CDRAM. Данный тип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi, и его можно рассматривать как пересмотренный вариант ESDRAM, свободный от некоторых ее несовершенств. Изменены емкость кэш-памяти и принцип размеще­ния в ней данных. Емкость одного блока, помещаемого в кэш-память, уменьшена до 128 бит, таким образом, в 16-килобитовом кэше можно одновременно хранить копии из 128 участков памяти, что позволяет эффективнее использовать кэш-па­мять. Замена первого помещенного в кэш участка памяти начинается только после заполнения последнего (128-го) блока. Изменению подверглись и средства доступа. Так, в микросхеме используются раздельные адресные шины для статического кэша и динамического ядра. Перенос данных из динамического ядра в кэш-память со­вмещен с выдачей данных на шину, поэтому частые, но короткие пересылки не снижают производительности ИМС при считывании из памяти больших объе­мов информации и уравнивают CDRAM с ESDRAM, а при чтении по выбо­рочным адресам CDRAM явно выигрывает. Необходимо, однако, отметить, что вышеперечисленные изменения привели к еще большему усложнению кон­троллера памяти.