Urządzenia techniki komputerowej

Urządzenia techniki komputerowej PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Bibliografia: Urządzenia techniki komputerowej, K. Wojtuszkiewicz

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Pamięci półprzewodnikowe są jednym z kluczowych elementów systemów cyfrowych. Służą do przechowywania informacji w postaci cyfrowej. Liczba informacji, które mogą przechowywać pojedyncze układy scalone pamięci, zawiera się w zakresie od kilobajtów do gigabajtów. Definicja Pamięciami półprzewodnikowymi nazywamy cyfrowe układy scalone przeznaczonedo przechowywania większych ilości informacji w postaci binarnej. Podstawowymi parametrami pamięci są pojemność, czas dostępu i transfer danych. Definicja Pojemnością pamięci nazywamy maksymalną liczbę informacji, jaką możemy przechować w danej pamięci. Pojemność pamięci podajemy w bitach (b) lub bajtach (B). Definicja Czasemdostępu do pamięci nazywamy czas, jaki musi upłynąć od momentu podania poprawnego adresu słowa w pamięci do czasu ustalenia się poprawnej wartości tego słowa na wyjściu pamięci w przypadku operacji odczytu lub w przypadku operacji zapisu - czas, jaki upłynie do momentu zapisania wartości do tego słowa z wejścia pamięci.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE W technice komputerowej używane są głównie pamięci półprzewodnikowe o dostępie swobodnym (w odróżnieniu od dostępu sekwencyjnego). Definicja Pamięcią o dostępie swobodnym nazywamy pamięć, dla której czas dostępu praktycznie nie zależy od adresu słowa w pamięci, czyli od miejsca, w którym jest przechowywana informacja. Kolejnym ważnym parametrem pamięci (szczególnie w postaci modułów) jest jej transfer danych (ang. data transfer ratę), zwany czasami przepustowością (ang. throuthput). Definicja Transferem danych pamięci nazywamy maksymalną liczbę danych, jaką możemy odczytywać z pamięci lub zapisywać do pamięci w jednostce czasu.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Transfer danych pamięci może być podawany w jednostkach informacji na sekundę (na przykład w MB/s), jednak znacznie częściej dla modułów pamięci stosowanych w PC podaje się częstotliwość zegara taktującego transfer lub liczbę transferów na sekundę (np. MT/s). W dwóch ostatnich przypadkach, chcąc obliczyć transfer danych, czyli przepustowość, musimy znać liczbę bitów przesyłanych w jednym transferze (obecnie zwykle 64 bity).

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Ze względu na własności użytkowe pamięci półprzewodnikowe możemy podzielić na pamięci RAM i ROM. Definicja Pamięcią RAM nazywamy pamięć półprzewodnikową o dostępie swobodnym przeznaczaną do zapisu i odczytu. RAM jest pamięcią ulotną, co oznacza, że po wyłączeniu jej zasilania informacja w niej przechowywana jest tracona. Definicja Pamięcią ROM nazywamy pamięć półprzewodnikową o dostępie swobodnym przeznaczaną tylko do odczytu. ROM jest pamięcią nieulotną. Z podanych własności pamięci wynikają ich zastosowania w technice komputerowej. Z pamięci RAM buduje się pamięć operacyjną komputera przeznaczoną do przechowywania, w trakcie pracy systemu, danych oraz programów (gdyż RAM jest pamięcią do zapisu i odczytu). W pamięci ROM przechowuje się programy inicjalizujące pracę komputera, gdyż muszą być one przechowywane w pamięci nieulotnej.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE • Ze względu na na technologię wykonania pamięci RAM dzielimy na dwie podstawowe grupy: • pamięci dynamiczne - DRAM, • pamięci statyczne - SRAM. • Pomiędzy tymi dwoma grupami pamięci występują istotne różnice w ich parametrach i własnościach użytkowych. • Pamięci dynamiczne są wolniejsze od pamięci statycznych natomiast są znacznie tańsze (szczególnie gdy uwzględnimy koszt jednego bitu. Ponadto pamięci dynamiczne znacznie łatwiej podlegają scalaniu, co oznacza że dla porównywalnej wielkości układu uzyskujemy w nich znacznie większe pojemności. Wadą pamięci dynamicznych jest również fakt, że dla poprawnego funkcjonowania konieczny jest tak zwany proces odświeżania. Polega on na cyklicznym, ponownym zapisie przechowywanej informacji do komórek tej pamięci.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Z porównania własności tych pamięci wynika miejsce ich zastosowania w technice komputerowej. Pamięci dynamiczne stosowane są do budowy głównej pamięci operacyjnej komputera, co wynika z ich niskiej ceny i dużych pojemności układów scalonych tej pamięci. Wadą tych pamięci w porównaniu z pamięciami statycznymi jest szybkość ich działania. Jednak ze względów ekonomicznych (cena) i technologicznych (mniejszy stopień scalenia) nie można zbudować pamięci operacyjnej z pamięci statycznych. Dlatego w systemach komputerowych stosuje się pamięć podręczną (cache), o znacznie mniejszej pojemności w porównaniu z pamięcią operacyjną. Pamięć cache buduje się z szybkich pamięci statycznych.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Podstawowe wyprowadzenia układu scalonego pamięci Szyna wejścia/wyjścia danych (DB, zaciski te często są też oznaczane jako DQ służy do wprowadzania i wyprowadzania informacji do i z pamięci. Wejście adresowe służy do dokonania wyboru, na którym z wielu słów w pamięci zastanie wykona operacja (zapisu bądź odczytu). Wejście sterujące R/W# informuje układ pamięć jakiego rodzaju operacja będzie wykonywana: odczyt czy zapis. Wejście CS# służy I uaktywnienia układu pamięci. Wejście to jest używane przy budowie zespołów pamięci metodą łączenia dwóch lub więcej układów scalonych pamięci.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Definicja Adresem nazywamy niepowtarzalną liczbę (numer) przypisaną danemu miejscu (słowu) w pamięci w celu jego identyfikacji. ' Definicja Słowem w pamięci nazywamy zestaw pojedynczych komórek (pojedynczych bitów) pamięci, do którego odwołujemy się pojedynczym adresem. Liczbę bitów w pojedynczym słowie pamięci będziemy nazywać długością słów, pamięci. Zauważmy, że długość słowa pamięci musi być równa liczbie wyprowadzeń szyny wejścia/wyjścia, gdyż słowa są wprowadzane i wyprowadzane z pamięci równoległej. Definicja Organizacją pamięci nazywamy sposób podziału obszaru pamięci na słowa.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE Przedstawione pamięci na rysunku a i b mają tę samą pojemność wynoszącą 32b, różnią się organizacją. Pamięć z rysunku a ma organizację bitową. Inaczej że jest to pamięć 32 x 1b. Pamięć z rysunku b ma organizację bajtową czyli jest to pamięć 4 x 8b (lub inaczej 4 x 1B). Zwróćmy przy okazji uwagę na liczbę linii danych i adresowych dla każdej z tych pamięci.

ŁĄCZENIE UKŁADÓW PAMIĘCI • Łączenie układów pamięci polega na łączeniu układów scalonych pamięci o określonej pojemności i organizacji w ten sposób, aby uzyskać zespoły pamięci o większej pojemności i/lub o zmienionej długości słowa. Dlatego problem rozbudowy pamięci możemy podzielić na dwa podstawowe przypadki: • zwiększanie (rozszerzanie) długości słowa przy niezmienionej liczbie słów, • zwiększanie liczby słów przy niezmienionej długości słowa. • Oba te przypadki mogą występować (i w praktyce często występują) jednocześnie. • Zwiększanie długości słowa • W celu zwiększenia długości słowa pamięci szerszą magistralę danych budujemy • z bitów linii danych kolejnych układów scalonych pamięci, natomiast magistralę adresową i sygnały sterujące łączymy równolegle.

ŁĄCZENIE UKŁADÓW PAMIĘCI Przykład. Załóżmy, że mamy do dyspozycji układy scalone pamięci o organizacji 1M x 4b (pojemność 4 Mb) oraz 1M x 1b (pojemność 1 Mb) i chcemy zbudować pamięć o organizacji 1M x 9b (czyli o słowa bajtowych z bitem kontroli parzystości) Zwróćmy uwagę, że liczba linii adresowych nie zmieniła się (gdyż nie zmieniła się liczba słów), natomiast zmieniła się liczba linii danych. Opisany sposób jest przykładowo stosowany przy budowie modułów pamięć (na przykład SIMM, ang. Single In linę Memory Module),

ŁĄCZENIE UKŁADÓW PAMIĘCI Pamięci dynamiczne RAM, w skrócie DRAM, pozwalają uzyskiwać duże pojemności w pojedynczym układzie scalonym. Zasada działania komórki pamięci dynamicznej opiera się na magazynowaniu ładunku na określonej, niewielkiej pojemności elektrycznej. Pojemność nienaładowana oznacza zero logiczne, pojemność naładowana oznacza zapisaną jedynkę logiczną. Sposób przechowywania (kodowania) stanów logicznych powoduje potrzebę odświeżania, czyli cyklicznego doładowywania tych pojemności. Duża pojemność tych pamięci jest także przyczyną innych problemów. Stosowany jest określony sposób podawania adresu. Sposób obsługi asynchronicznej pamięci DRAM oraz jej struktury wewnętrznej Adres słowa, na którym chcemy wykonać operację, podawany jest w dwóch częściach zwanych adresem wiersza i adresem kolumny. Zmniejsza to liczbę potrzebnych wyprowadzeń szyny adresowej i upraszcza konstrukcję dekoderów adresowych.

ŁĄCZENIE UKŁADÓW PAMIĘCI Najlepiej wyobrazić sobie układ pamięci jako swego rodzaju macierz czy tablicę. Aby zaadresować każdą komórkę, macierz zorganizowana jest w kolumny i wiersze. Stąd też mamy sygnał adresowania kolumny.

ŁĄCZENIE UKŁADÓW PAMIĘCI Oto co się w praktyce dzieje: aby odczytać, bądź zapisać określoną komórkę pamięci, kontroler pamięci ustawia najpierw numer wiersza żądanego adresu, a następnie aktywuje sygnał RAS. Zanim jednak można będzie mieć dostęp do kolumny, upływa parę taktów zegara (czas opóźnienia RAS-to-CAS). Podobnie po aktywacji sygnału CAS musi upłynąć parę taktów zegara. W przypadku standardowej pamięci SDRAM zgodnej ze standardem PC133, wynosi on dwa lub trzy; w przypadku DDR SDRAM, cztery lub pięć cykli zegara. Biorąc pod uwagę podwójną przepływność pamięci DDR, "realny" czas oczekiwania CAS to dwa lub dwa i pół takty zegara. Czas oczekiwania RAS-to-CAS zależy od zastosowanej technologii i ponieważ sięga od pięciu do siedmiu taktów zegara, stanowi fundamentalny czynnik opóźnień. Można by powiedzieć, że pamięć CL2 jest lepsza od wolniejszych modeli z opóźnieniem CL2.5 (DDR) czy CL3 (SDRAM). Teoretycznie jest to prawda, ale inne czynniki stawiają zalety szybkich transferów danych w innym świetle - z jednej strony nowoczesne procesory cechują się wysokim współczynnikiem trafień w pamięci podręcznej, co oznacza, że dość rzadko wymagają bezpośrednich odczytów z pamięci głównej. Po drugie, wiersze przez większość czasów są przełączane, przez co czas RAS-to-CAS również jest ważny, opóźniając proces dostępu. Na koniec - co jakiś czas mają miejsce odczyty w trybie burst - w tym przypadku odczytywanych jest wiele sąsiednich komórek pamięci, jednak czas oczekiwania CAS ma miejsce tylko raz, co zmniejsza jego wagę.

ŁĄCZENIE UKŁADÓW PAMIĘCI Podczas kupowania pamięci, jeżeli cena modułów CL2 jest niewiele wyższa, polecamy wybór właśnie ich. Powinniście pamiętać, że najwolniejszy moduł w grupie będzie wąskim gardłem. Dla przykładu, jeżeli stosujecie trzy moduły DIMM z opóźnieniem CL2 i jeden z CL2.5, wszystkie cztery pracować będą z opóźnieniem CL2.5. Najważniejszą sprawą jest porównanie ceny/marki: zawsze odróżniajcie markowe moduły (Infineon, Micron, Samsung, Hyundai, NEC, itd.) od modułów no-name. W przypadku ceny przekłada się to na około 30% różnicę! Z technicznego punktu widzenia mamy dwa sposoby na zwiększenie wydajności pamięci DDR SDRAM. Pierwszą metodą jest zwiększenie częstotliwości zegara do 200 MHz (400 MHz DDR), metoda w której przewodzi aktualnie VIA. Przedstawicielem jest chipset KT400 dla systemów Athlona. Drugi sposób związany jest z dalszym zmniejszaniem czasu oczekiwania CAS. Jest to technicznie możliwe i CL1.5 powinien być następnym poziomem rozwoju. Wątpliwym jest jednak, aby ta metoda stała się powszechna, jako że wymaga znaczących wysiłków. Krok w stronę czterech transferów danych na takt zegara również wymagałby sporego wysiłku, podobnie do szyny systemowej Pentium 4. Przepustowość wzrosłaby znacząco, co odłożyłoby kwestię taktowania na bok, przynajmniej na jakiś czas.

UKŁADY PAMIĘCI

WYDAJNOŚĆ UKŁADÓW PAMIĘCI • DDR3 SDRAM (ang.Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (ver. 3)) – nowy standard pamięci RAM typu SDRAM, będący rozwinięciem pamięci DDR i DDR2, • Pamięć DDR3 wykonana jest w technologii 90 nm. Technologia ta umożliwia zastosowanie niższego napięcia (1,5 V w porównaniu z 1,8 V dla DDR2 i 2,5 V dla DDR). Dzięki temu pamięć DDR3 charakteryzuje się zmniejszonym poborem mocy o około 40% w stosunku do pamięci DDR2 oraz większą przepustowością w porównaniu do DDR2 i DDR. Pamięci DDR3 nie będą kompatybilne wstecz, tzn. nie będą współpracowały z chipsetami obsługującymi DDR i DDR2. Posiadają także przesunięte wcięcie w prawą stronę w stosunku do DDR2 (w DDR2 wcięcie znajduje się prawie na środku kości). • Obsługa pamięci DDR3 przez procesory została wprowadzona w 2007 roku w procesorach firmy Intel oraz zostanie wprowadzona w 2008 roku w procesorach firmy AMD. • Moduły DDR3 • PC3-6400 o przepustowości 6,4 GB/s, pracujące z prędkością 800 MHz. • PC3-8500 o przepustowości 8,5 GB/s, pracujące z prędkością 1066 MHz. • PC3-10600 o przepustowości 10,6 GB/s, pracujące z prędkością 1333 MHz • PC3-12700 o przepustowności 12,7 GB/s, pracujące z prędkością 1600 MHz • Różnice w stosunku do DDR2 • większa przepustowość • mniejszy pobór prądu o 40 % • funkcje oszczędzania energii • większe opóźnienie sygnału CAS (Column Address Strobe - ang. CAS Latency)

WYDAJNOŚĆ UKŁADÓW PAMIĘCI RAM Corsair DDR3 2x 1GB 1800MHz CL7 DHX DDR3, 1600MHz 2GB 2x240 DIMM, 1GB 1800MHz DDR3 Non-ECC

PAMIĘĆ ROM • W pamięciach nieulotnych typu ROM umieszczone są informacje stałe. • ROM jest najbardziej niezawodnym nośnikiem informacji o dużej gęstości zapisu. Zapis informacji dokonuje się w procesie produkcji lub podczas ich programowania. W pamięci ROM zapisuje się ustawienia BIOSu.Pamięci typu ROM przeznaczone są głównie do umieszczania w nich startowej sekwencji instrukcji, kompletnych programów obsługi sterowników i urządzeń mikroprocesorowych, także ustalonych i rzadko zmienianych danych stałych. • Ze względu na sposób umieszczania danych pamięci ROM dzieli się na: • Pamięć MROM programowana maską (mask ROM) - Jej zawartość ustala się na podstawie wzorca dostarczanego przez użytkownika w trakcie procesu technologicznego. Pamięć ta jest przeznaczona tylko do odczytu, co w wielu wypadkach uniemożliwia jej zastosowanie.Przykładem zastosowania jest BIOS obsługujący klawiaturę. • 2) Pamięć PROM (Programmable ROM). - Jest dostarczana przez producenta w stanie niezaprogramowanym z możliwością jednokrotnego ustalania dowolnej zawartości bezpośrednio przez użytkownika. Właściwą treść pamięci ustala się jednorazowo przez elektryczne przepalenie odpowiednich połączeń wewnętrznych. Każda pomyłka w czasie programowania eliminuje programowany układ. Obecnie nie używany!

PAMIĘĆ ROM 3) Pamięć EPROM (Erasable Programmable ROM). - Najpopularniejszy rodzaj pamięci kasowalnej i programowalnej o nieulotnej zawartości informacji. Kasowanie zawartości dokonuje się przez intensywne naświetlenie promieniem ultrafioletowym. Nie jest możliwe kasowanie pojedynczych bajtów pamięci, natomiast proces przeprogramowania zawartości pamięci może być powtarzany wielokrotnie. Przewidywany czas trwałości danych umieszczanych w pamięci EPROM wynosi co najmniej 10 lat. Pamięć wychodzi z użycia! 4) Pamięci EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). - Każdy bajt można kasować elektrycznie i zapisać nową zawartością bezpośrednio w urządzeniu, w którym normalnie funkcjonuje pamięć, a do zaprogramowania dowolnego bajtu wystarcza jeden cykl zapisu. Wykorzystanie tej możliwości sprawia, że pamięć ta jest idealnym rozwiązaniem przy uruchamianiu nowego oprogramowania, bądź modyfikacji zawartości istniejącej pamięci. Przyjmuje się, że pamięć EEPROM powinna wytrzymać 100 tys. przeprogramowań. Do PC pamięci EEPROM trafiły natychmiast, gdy tylko ich cena zaczęła na to pozwalać – możliwość przedłużenia "moralnego życia" płyty głównej przez wymianę BIOS-u była bardzo atrakcyjna dla producentów komputerów. Tym bardziej, że dostępność takich pamięci zbiegła się w czasie z początkiem dywersyfikacji standardu PC - stosowane w nich procesory przestały być wiernymi kopiami Intelowskich.

PAMIĘĆ ROM 5) Pamięć Flash EEPROM. W tym typie pamięci zwykle nie można kasować ani programować pojedynczych bajtów. Możliwe jest kasowanie i programowanie blokami pamięci lub w całości. Pamięci Flash wytrzymują od 100 do 10 tys. cykli kasowania i programowania. Istnieją dwie odmiany tej pamięci oznaczane NOR i NAND: NOR –dłuższy czas zapisu i kasowania a za to dostęp swobodny i dlatego nadaje się do przechowywania BIOS-a którego można unowocześniać (Flash BIOS) NAND – przypomina własnościami dysk twardy, przeznaczona do przechowywania informacji multimedialnej (karty pamięci do aparatów fotograficznych, pamięci wymienne, odtwarzacze plików MP3, MP4) Pamięci ROM są stosowane w praktyce do zapamiętywania podstawowych funkcji konfiguracyjnych oraz obsługi systemu operacyjnego komputera. Na ogół służą do zapamiętania informacji o rodzajach portów, stosowanej pamięci RAM, dyskach itp.

Urządzenia techniki komputerowej