Лекция 5 ОЗУ
учебно-методическое пособие

Лекция 5. Устройства памяти. Внутренняя память. Модули ОЗУ.

Для хранения информации в ПЭВМ используются различные устройства оперативной и долговременной памяти, имеющие разные назначение, емкость, быстродействие и аппаратные затраты на единицу хранимой информации.

Как правило, запоминающие устройства ПЭВМ находятся в общем адресном пространстве процессора, образуя единую так называемую виртуальную память для обеспечения автоматического перемещения информации между запоминающими устройствами, относящимися к различным уровням иерархии.

Использование виртуальной памяти существенно упрощает процесс разработки программ, взаимодействие их между собой и с данными, расположенными на различных носителях.

В ПЭВМ применяется целый комплекс взаимосвязанных технических средств, реализующих функции различных типов запоминающих устройств, память которых подразделяется на внутреннюю, внешнюю и периферийную, позиционируя ее так по месту подключения и установки в ПЭВМ (рис. 1).

Внутренняя память. К внутренней памяти относятся ОЗУ, кэш, CMOS, РПЗУ, ПЗУ.

Память кэш и CMOS строятся на статических ЗУ, в которых ячейки хранения информации представляют собой триггер. Кэш-память отличается большим быстродействием, CMOS-память — очень малым энергопотреблением, в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК, которая проверяется при каждом включении системы.

Постоянное запоминающее устройство, или ROM (Read Only Memory), содержит информацию, которая не меняется в процессе эксплуатации ПЭВМ. Информация заносится в ПЗУ в процессе производства микросхемы или перед установкой в компьютер с помощью специального устройства — программатора. ПЗУ функционирует только в режиме чтения информации и обеспечивает ее хранение при выключенном питании (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства занимают промежуточное место между ОЗУ и ПЗУ и обеспечивают энергонезависимое хранение информации и ее многократное изменение (перезапись).

Оперативная память (ОЗУ, RAM — Random Access Memory — eng.) — относительно быстрая энергозависимая память компьютера с произвольным доступом, в которой осуществляются большинство операций обмена данными между устройствами. Является энергозависимой, то есть при отключении питания, все данные на ней стираются.

Оперативная память является хранилищем всех потоков информации, которые необходимо обработать процессору или же они дожидаются в оперативной памяти своей очереди. Все устройства, связывается с оперативной памятью через системную шину, а с ней в свою очередь обмениваются через кэш или же напрямую.

Использование оперативной памяти.

Современные операционные системы, активно используют оперативную память, для хранения и обработки в ней важных и часто используемых данных. Если бы в электронных устройствах не использовалась оперативная память, то все операции происходили бы гораздо медленней и для считывания с постоянного источника памяти (ПЗУ), требовалось бы значительно больше времени. Да и более менее многопоточная обработка, была бы практически невозможна.

Использование оперативной памяти, позволяет приложениям работать и запускаться быстрее. Данные беспрепятственно могут обрабатываться и ждать своей очереди благодаря адресуемости (все машинные слова имеют свои собственные адреса).

Оперативная память выпускается в виде модулей с односторонним или двухсторонним расположением микросхем, устанавливаемых в специальный разъем материнской платы. Размеры и форма зависят от применяемого стандарта. Модули ОЗУ имеют различную конструкцию: SIMM (Single In-Line Memory Module – модуль памяти с однорядными контактами); DIMM (Dual In-Line Memory Module – модуль памяти с двухрядными контактами); SO DIMM (Small Outline DIMM – малый размер DIMM). В настоящее время модули SIMM устарели и не используются.

Компоновка модулей

Рассмотрим из чего же состоит (из каких элементов) сам модуль.

Для наглядности возьмем стандарт SD-RAM (для настольных компьютеров). Итак, модули стандарта SD-RAM (1); DDR (1.1); DDR2 (1.2).

Описание:

1. Чипы (микросхемы) памяти
2. SPD (Serial Presence Detect) – микросхема энергонезависимой памяти, в которую записаны базовые настройки любого модуля. Во время старта системы BIOS материнской платы считывает информацию, отображенную в SPD, и выставляет соответствующие тайминги и частоту работыОЗУ
3. «Ключ» — специальная прорезь платы, по которой можно определить тип модуля. Механически препятствует неверной установке плашек в слоты, предназначенные для оперативной памяти
4. SMD-компоненты модулей (резисторы, конденсаторы). Обеспечивают электрическую развязку сигнальных цепей и управление питанием чипов
5. Cтикеры производителя — указывают стандарт памяти, штатную частоту работы и базовые тайминги
6. РСВ – печатная плата. На ней распаиваются остальные компоненты модуля. От качества зачастую зависит результат разгона: на разных платах одинаковые чипы могут вести себя по-разному.

Виды оперативной памяти

На данный момент времени, существует два типа памяти возможных к применению в качестве оперативной памяти в компьютере. Оба представляют собой память на основе полупроводников с произвольным доступом. Другими словами, память позволяющая получить доступ к любому своему элементу (ячейке) по её адресу.

Память статического типа

SRAM (Static random access memory) — изготавливается на основе полупроводниковых триггеров и имеет очень высокую скорость работы. Основных недостатков два: высокая стоимость и занимает много места. Сейчас используется в основном для кэша небольшой емкости в микропроцессорах или в специализированных устройствах, где данные недостатки не критичны.

Память динамического типа

DRAM (Dynamic random access memory) — память, наиболее широко используемая в качестве оперативной в компьютерах. Построена на основе конденсаторов, имеет высокую плотность записи и относительно низкую стоимость.

Типы модулей ОЗУ

Компьютерная оперативная память, применяемая в настоящее время, берет свое начало с разработки памяти DDR SDRAM. В ней была удвоена скорость работы по сравнению с  предыдущими разработками за счет выполнения двух операций за один такт (по фронту и по срезу сигнала), отсюда и название DDR (Double Data Rate). Поэтому эффективная частота передачи данных равна удвоенной тактовой частоте. Сейчас ее можно встретить практически только в старом оборудовании, зато на её основе была создана DDR2 SDRAM.

В DDR2 SDRAM была вдвое увеличена частота работы шины, но задержки несколько выросли. За счет применения нового корпуса и 240 контактов на модуль, она обратно не совместима с DDR SDRAM и имеет эффективную частоту от 400 до 1200 МГц.

Сейчас наиболее распространённой памятью является третье поколение DDR3 SDRAM. За счет технологических решений и снижения питающего напряжения удалось снизить энергопотребление и поднять эффективную частоту, составляющую от 800 до 2400 МГц. Несмотря на тот же корпус и 240 контактов, модули памяти DDR2 и DDR3 электрически не совместимы между собой. Для защиты от случайной установки ключ (выемка в плате) находится в другом месте.

Стоит упомянуть про новый тип памяти DDR4, отличающийся от предыдущих поколений более высокими частотными характеристиками и низким напряжением. Он поддерживает частоты от 2133 до 4266 МГц

Частота шины и пропускная способность

Основные параметры оперативки, которые характеризуют её производительность — это частота шины и скорость передачи данных.

Частота характеризует потенциал шины памяти по передаче данных за единицу времени, соответственно, чем она больше, тем больше данных можно передать. Частота шины и пропускная способность зависят прямо пропорционально друг от друга (например, память имеет 1333 Мгц шину, значит теоретически будет иметь пропускную способность 10600 Мб/сек, а на самом модуле будет написано DDR3 1333 (PC-10600)).

Частота обозначается в виде «DDR2(3)-xxxx» или «PC2(3)-yyyy». В первом случае «xxxx» обозначает эффективную частоту памяти, а во втором «yyyy» указывает на пиковую пропускную способность. Чтобы не запутаться, посмотрите таблицу (в ней приведены наиболее популярный стандарт: DDR3.

Наряду с частотой работы, большое влияние на итоговую скорость работы оказывают тайминги.

Таймингами называются временные задержки между командой и её выполнением. Они необходимы, чтобы память могла «подготовиться» к её выполнению, в противном случае часть данных может быть искажена. Соответственно, чем меньше тайминги (латентность памяти) тем лучше и следовательно быстрее работает память при прочих равных.

Обычно чем больше объем модуля, тем больше тайминги, поэтому взять две планки по 2 Гб может оказаться выгоднее, чем одну на 4 Гб. К тому же использование нескольких одинаковых планок памяти активирует многоканальный режим работы, что обеспечивает дополнительное увеличение быстродействия.

Разъемы памяти

Каждому типу памяти DDR, DDR2, DDR3 соответствует свой разъем на материнской плате одноименного типа (DDR, DDR2, DDR3). Вы не вставите память одного типа в разъем другого типа, так как в слоте материнской платы существует специальный выступ (ключ), который должен совпасть с прорезью на плате модуля памяти. Это как раз сделано для того, что бы случайно не перепутать и не установить планку в не тот разъем и в результате не вывести из строя как память, так и, возможно, материнскую плату.

Режимы работы памяти

В современных компьютерах материнские платы поддерживают специальные режимы работы оперативной памяти. Именно в этих режимах скорость её работы будет самой эффективной, поэтому для достижения наилучшего быстродействия, следует учитывать режимы работы модулей памяти и их правильную установку.

Рассмотрим подробнее типы режимов:

• Single chanell mode (одноканальный или ассиметричный) – этот режим включается, когда в системе установлен только один модуль памяти или все модули отличаются друг от друга по объему памяти, частоте работы или производителю. Здесь неважно, в какие разъемы и какую память устанавливать. Вся память будет работать со скоростью самой медленной из установленной памяти.
• Dual Mode (двухканальный или симметричный) – в каждом канале устанавливается одинаковый объем оперативной памяти (и теоретически происходит удвоение максимальной скорости передачи данных). Для включения двухканального режима модули памяти устанавливаются парами в 1 и 3 и/или 2 и 4 слоты.
• Triple Mode (трехканальный) – в каждом из трех каналов устанавливается одинаковый объем оперативной памяти. Модули подбираются по скорости и объему. Для включения этого режима модули должны быть установлены в 1, 3, 5 и /или 2, 4, 6 слоты.
• Flex Mode (гибкий) – позволяет увеличить производительность оперативной памяти при установке двух модулей различного объема, но одинаковых по частоте работы. Как и в двухканальном режиме платы памяти устанавливаются в одноименные разъемы разных каналов.

Обычно наиболее распространенным вариантом является двухканальный режим памяти.

Желательно, что бы все планки были идентичные: имели одну частоту, латентность и даже были одного производителя. Иначе никаких гарантий работы двухканального режима дать никто не сможет.

Как узнать всю информацию об установленной оперативной памяти?

Во первых, на самой планке оперативной памяти должна быть вся интересующая вас информация, только её нужно правильно прочесть. Бывают планки памяти, на которых нет практически ничего, но с ними тоже можно справиться.

Например возьмём планку оперативной памяти Hynix, на ней есть такая информация: 4 GB PC3 – 12800.

Что обозначает следующее: объём 4 ГБ. Как видим, на этой планке не написано что она DDR2 или DDR3, но указана пропускная способность PC3-12800. PC3 - обозначение пиковой пропускной способности принадлежащей только типу DDR3 (у оперативной памяти DDR2 обозначение будет PC2, например PC2-6400).

Это значит, что наша планка оперативной памяти производителя Hynix имеет тип DDR3 и имеет пропускную способность PC3-12800. Если пропускную способность 12800 разделить на восемь и получается 1600. То есть эта планка памяти типа DDR3, работает на частоте 1600 Мгц.

Контрольные вопросы

1. Что относится к внутренней памяти?
2. Дайте характеристику ОЗУ.
3. Дайте характеристику ПЗУ и РПЗУ.
4. Что такое CMOS?
5. Сравните модули ОЗУ: SIMM, DIMM и SO DIMM.
6. Назовите и поясните основные типы модулей ОЗУ.
7. Назовите и поясните режимы работы оперативной памяти.

Список литературы

1. Аппаратное обеспечение ЭВМ/ В.Д. Сидоров, Н.В. Струмпэ. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. -  336с.
2. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Практикум / Н.В. Струмпэ, В.Д. Сидоров. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. -  160с.
3. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – СПб.: Питер,2011. – 560с.
4. Все о компьютерах- http://remontcompa.ru/