Лабораторна робота № 2. Динамічна пам'ять
Мета роботи: Ознайомитися з будовою, принципом роботи та основними характеристиками динамічної пам'яті
Теоретичні відомості
Динамі́чна операти́вна па́м'ять або DRAM (Dynamic Random Access Memory) — одна із видів комп'ютерної пам'яті із випадковим доступом (RAM), найчастіше використовується в якості ОЗП сучасних комп'ютерів. Основна перевага пам'яті цього типу полягає в тому, що її комірки упаковані дуже щільно, тобто в невелику мікросхему можна упакувати багато бітів, а значить, на їх основі можна побудувати пам'ять великої ємкості. Елементи пам'яті в мікросхемі DRAM — це крихітні конденсатори, які утримують заряди. Саме так (наявністю або відсутністю зарядів) і кодуються біти. Проблеми, пов'язані з пам'яттю цього типа, викликані тим, що вона динамічна, тобто повинна постійно регенеруватися, оскільки інакше електричні заряди в конденсаторах пам'яті «стікатимуть» і дані будуть втрачені. Регенерація відбувається, коли контролер пам'яті системи бере крихітна перерва і звертається до всіх рядків даних в мікросхемах пам'яті. Більшість систем мають контролер пам'яті (зазвичай вбудовуваний в набір мікросхем системної плати), який налаштований на відповідну промисловим стандартам частоту регенерації, рівну 15 мкс. До всіх рядків даних звернення здійснюється після проходження 128 спеціальних циклів регенерації. Це означає, що кожні 1,92 мс прочитуються всі рядки в пам'яті для забезпечення регенерації даних. Регенерація пам'яті, на жаль, віднімає час в процесора: кожен цикл регенерації по тривалості займає декілька циклів центрального процесора. У старих комп'ютерах цикли регенерації могли займати до 10 % (або більше) процесорного часу, але в сучасних системах, що працюють на частотах, рівних сотням мегагерц, витрати на регенерацію складають 1 % (або менше) процесорного часу. Деякі системи дозволяють змінити параметри регенерації за допомогою програми установки параметрів CMOS, але збільшення часу між циклами регенерації може привести до того, що в деяких елементах пам'яті заряд «стече», а це викличе збої пам'яті. В більшості випадків надійніше дотримуватися частоти регенерації, що рекомендується або заданої за умовчанням. Оскільки витрати на регенерацію в сучасних комп'ютерах складають менше 1 %, зміну частоти регенерації надає незначний вплив на характеристики комп'ютера. У пристроях DRAM для зберігання одного біта використовується тільки один транзистор і пара конденсаторів, тому вони більш місткі, ніж мікросхеми інших типів пам'яті. В даний час є мікросхеми динамічної оперативної пам'яті ємкістю до 512 Мбіт і більше. Це означає, що подібні мікросхеми містять 512 млн (і навіть більше) транзисторів! Адже Pentium IV має 55 млн транзисторів. Річ у тому, що в мікросхемі пам'яті всі транзистори і конденсатори розміщуються послідовно, зазвичай у вузлах квадратних грат, у вигляді дуже простих структур, що періодично повторюються, на відміну від процесора, що є складнішою схемою різних структур, що не має чіткої організації. Транзистор для кожного однорозрядного регістра DRAM використовується для читання стану суміжного конденсатора. Якщо конденсатор заряджений, у комірці записана 1; якщо заряду немає — записаний 0. Заряди в крихітних конденсаторах увесь час стікають, ось чому пам'ять повинна постійно регенеруватися. Навіть миттєве переривання подачі живлення або який-небудь збій в циклах регенерації приведе до втрати заряду у комірці DRAM, а отже, і до втрати даних. Динамічна оперативна пам'ять використовується в персональних комп'ютерах; оскільки вона недорога, то мікросхеми можуть бути щільно упаковані, а це означає, що пристрій великої ємкості, що запам'ятовує, може займати невеликий простір. На жаль, пам'ять цього типу не відрізняється високою швидкодією, зазвичай вона набагато «повільніша» за процесор. Тому існує безліч різних типів організації DRAM, що дозволяють поліпшити цю характеристику.
Конструктивно пам'ять DRAM складається із "комірок" розміром в 1 або 4 біта, в кожній із яких можна зберігати певний об'єм даних. Сукупність "комірок" такої пам'яті створюють умовний "прямокутник", який складається із певної кількості стрічок та стовпців. Один такий "прямокутник" називається сторінкою, а сукупність сторінок називається банком. Весь набір "комірок" умовно ділиться на кілька областей.
1.Історія
У 1964 році Арнольд Фарбер (Arnold Farber) і Євген Шліґ (Eugene Schlig) працювали в IBM створюючи комірку пам'яті що було складною задачою; за допомогою транзисторних воріт і засувки тунельних діодів, які пізніше замінили перемикачами із двох транзисторів і двох резисторів, що стало відомим як Фарбер-Шліґова комірка. У 1965 році Бенджамін Агуста (Agusta) і його команда, яка також працювали на IBM, вдалося створити 16-бітний кремнієвий чип пам'яті, оснований на камері Фарбер-Шліґових комірках, які складалися з 80 транзисторів, 64 резисторів та 4 діодів. У 1966 році доктор Роберт Деннард (Robert Dennard) винайшов DRAM в IBM Дослідницькому центрі ім. Томаса Дж. Уотсона, і отримав патент США за номером 3,387,286 у 1968 році. Конденсатори і раніше використані в схемах пам'яті, таких, як барабан Комп'ютер Атансофф-Беррі, Трубка Уільямса і Селектронна туба.
Toshiba "Toscal" BC-1411електронний калькулятор, який почав вироблятися в листопаді 1965, і в ньому використовується форма динамічної ОЗП з окремих компонентів.[1]
У 1969 р. Honeywell запропонували Intel виготовляти DRAM з використанням 3-транзисторні комірки, який вони розробляли. Це стало продуктом із назвою Intel 1102 (1024x1) на початку 1970. Проте із 1102 було багато проблем, які викликали в Intel, і компанія почала роботу з своєю власною розробкою поліпшення даного продукту (це трималося в таємниці, щоб уникнути конфліктів з Honeywell). Результатом стаиа перші комерційно доступна 1-транзисторні комірки DRAM, Intel 1103 (1024x1) у жовтні 1970 (незважаючи на початкові проблеми, пов'язані з низькими виходами аж до 5-ї ревізії шаблону).
Першим модулем DRAM із мультиплексними рядками та колонками адресного простору був Mostek MK4096 (4096x1) розроблений Робертом Проебстінгом (Robert Proebsting), і представлений вже в 1973 році. Це схематичне рішення було заздалегідь радикальним, дозволяло формувати пакети з меншою кількістю контактів, що створювало ряд переваг, які мали відчуватися із кожним кроком зростання пам'яті. MK4096 також виявилися досить надійними в розробці клієнтських застосунків. Уже при 16K щільністі ефективність стала досить помітною, і Mostek MK4116 16K DRAM досягнуло більш ніж 75% частини всього світового ринку DRAM. Проте, коли щільність зросла до 64K Mostek обігнали японські виробники DRAM завдяки продажам високоякісної DRAM з використанням тієї ж схеми мультиплексування по ціні, нижчій від вартості (японські компанії згодом були визнані винними у скоєнні цінового демпінгу).
2.Принцип роботи
Принцип роботи DRAM читання, для простої матриці 4 на 4.
Принцип роботи DRAM запису, для простої матриці 4 на 4.
В сучасних комп'ютерах фізично DRAM-пам'ять представляє собою електролітичну плату - модуль, на якому розміщуються мікросхеми пам'яті та зі спеціалізованим роз'ємом для підключення до материнської плати. Роль "комірок" відіграють конденсатори та транзистори, які розташовані всередині мікросхем пам'яті. Конденсатори заряджеються у випадку, коли в комірку заноситься одиничний біт, або розряжається у випадку, якщо в комірку заноситься нульовий біт. Транзистори потрібні для утримання заряду всередині конденсатора. За відсутності подачі електроенергії до оперативної пам'яті відбувається розряження конжденсаторів і пам'ять спустошується. Ця динамічна зміна заряду конденсатора і являється основним принципом роботи пам'яті типу DRAM. Елементом пам'яті такого типу являється чутливий підсилювач (англ. sense amp), який підключений до кожного із стовпців "прямокутника". Він реагує на слабкий потік електронів, які рухаються через відкриті транзистори із обкладинок конденсаторів, і зчитує цілком всю сторінку. Саме сторінки і являються мінімальною порцією обміну із динамічною пам'яттю, тому що обмін даними із окремо взятою коміркою нереальний.
3. Характеристики пам’яті DRAM
Основними характеристиками DRAM являються таймінги та робоча частота. Для звернення до комірок контролер задає номер банку, номер сторінки в ньому, номер стрічки та номер стовпчика, на ці всі запити використовуєтсья час, крім того доволі великий період йде на відкриття та закриття самого банку після виконання операції. На кожну дію вимагається час, який називається таймінгом. Основними таймінгами DRAM являються: затримка між подачею номеру стрічки і номера стовпчика, називається часом повного доступу (англ. RAS to CAS delay), затримка між подачею номеру стовпчика і отримання вмісту комірки, називається часом робочого циклу (англ. CAS delay), затримка між читанням останньої комірки та подачою номеру наступної стрічки (англ. RAS precharge). Таймінги вимірюються в наносекундах, і чим менша величина цих таймінгів, тим швидше працює оперативна пам'ять. Робоча частота вимірюється в мегагерцах, і збільшення робочої частоти пам'яті призводить до збільшення її швидкодії.
4. Регенерація
На відміну від статичної пам'яті типу SRAM (англ. static random access memory), яка являється конструктивно більш складним і дорогим типом пам'яті RAM та використовується в основному для кеш-пам'яті, пам'яті DRAM виготовлюється на основі конденсаторів невеликої ємності, які швидко втрачають заряд, тому інформацію приходиться оновлювати через певні проміжки часу щоб уникнути втрати даних. Цей процес називається регенерацією пам'яті. Цей процес реалізовується спеціальним мікроконтролером, встановленим на материнській платі, або інтегрованому в кристал центрального процесора. Протягом певного часу, який називається крок регенерації, в DRAM перезаписується ціла стрічка комірок, і через кожні 8-64 мс оновлюються всі стрічки пам'яті.
Процес регенерації пам'яті в класичному варіанті суттєво "гальмує" роботу системи, оскільки в цей час обмін даними із пам'яттю неможливий. Регенерація, яка основана на принципі перебору стрічок не використовується в сучасних типах DRAM. Існують декілька більш економічних варіантів даного процесу - розширений, пакетний, розподільчий; найбільш економічним являється метод прихованої регенерації.
Із нових технологій регенерації можна виділити тип регенерації PASR (англ. Partial Array Self Refresh), використовується компанією Samsung в чипах пам'яті SDRAM із низьким рівнем енергоспоживання. Регенерація "комірок" виконується тільки в період очікування тих банків пам'яті, в яких пам'ять заповнена. Паралельно з цією технологією реалізовується метод TCSR (англ. Temperature Compensated Self Refresh), який призначений для регулювання швидкості процесу регенерації в залежності від робочої температури.
5.Типи DRAM
Протягом тривалого часу розробниками створювалися різноманітні типи пам'яті. Вони характеризувалися різними параметрами, і в них використовувалися різні технічні рішення. Основною рушійною силою розвитку пам'яті був розвиток комп'ютерів та центральних процесорів. Постійно вимагалося збільшення швидкодії та об'єму оперативної пам'яті.
5. 1. Асинхронна DRAM
Вона є основною формою, з якої походять всі інші. Асинхронний чип DRAM має потужні зв'язки, деяку кількість вхідних адресацій (зазвичай 12), і кілька (як правило, 1 або 4) двонаправлений лінії даних. Існують чотири активні параметри контрольних сигналів:
/RAS, Ряд Адресного Простору (англ. Row Address Strobe). Адресація розпочинається і слідує кінцю простору /RAS, потім виберається вільний рядок для запису. Рядок залишається відкритим до тих пір, як /RAS знаходиться на низькому рівні.
/CAS, Колона Адресного Простору (англ. Column Address Strobe). Адресація розпочинається на кінці простору /CAS і вибирається стовпчик із всіх відкритих, який на даний момент придатний для читання і запису.
/WE, Доступ Запису (англ. Write Enable). Цей сигнал визначається враховуючи кінцевого статусу /CAS, читання (якщо високий) або запису (якщо низький). При низькому рівня дані входять та прямують до прикінцевого краю /CAS.
/OE, Доступ Зчитування (англ. Output Enable). Це є додатковим сигналом, який контролює вихід до даних I/O пінів. Дата-піни спрямовуються до DRAM чипів якщо /RAS і /CAS є низькими, і /WE високим, та /OE низка. У багатьох програмах, /OE може бути постійно низьким (зчитування завжди доступне), але це може бути корисним при підключенні декількох чипів пам'яті паралельно.
Цей інтерфейс забезпечує прямий контроль внутрішніх таймінгів. Коли /RAS низький, то /CAS цикл не повиннен робити спроб заповнення простору до тих пір, поки чутливі підсилювачі виявлятимуть стану пам'яті та /RAS не повинен ставати високим поки комірка зберігання не буде регенерована. /RAS має бути високим наскільки довго, скільки потрібно для повної перезарядки.
5. 2. Video RAM
Спеціальний тип оперативної пам'яті Video RAM (VRAM) був розроблений на основі пам'яті типу SDRAM для використання у відеокартках (розробки велися Ф. Діллом (F. Dill) і Р. Матіком (R. Matick) починаючи з 1980 року, а запатентували в 1985 (Патент США 4,541,075)). Він дозволяв забезпечувати неперервний потік даних в процесі оновлення зображення, що було необхідно для реалізації зображення високої якості. На основі пам'яті типу VRAM, з'явилася специфікація пам'яті типу Windows RAM (WRAM), хоча іноді її помилково пов'язують із операційними системами сімейства Windows. Її продуктивність стала на 25 % вище, ніж у оригінальної пам'яті типу SDRAM, завдяки деяким технічним змінам.
Але пізніше, вже в 1990-х стандартна пам'ять DRAM (тобто SDRAM) стала дешевшою, щільнішою та високопродуктивнішою наскільки, що витіснила VRAM.
5. 3. Сторінкова пам'ять
Сторінкова пам'ять (англ. page mode DRAM, PM DRAM) являлася однією із перших типів комп'ютерної пам'яті, яка випускалася на початку 90-х років. Але з ростом швидкодії центральних процесорів та зростанню системних вимог розвивающихся програм та операційних систем почало вимагатися не тільки об'єми оперативної пам'яті, а й швидкості її роботи.
5. 4. Швидка сторінкова пам'ять
256Kx4 DRAM модулі пам'яті на першик ПК
Швидка сторінкова пам'ять (англ. fast page mode DRAM, FPM DRAM) з'явилася в 1995 році. Принципово нових змін пам'ять не набула, а збільшення швидкості роботи досягалося підвищенням навантаження на апаратну складову. Даний тип пам'яті в основному використовувався для комп'ютерів із процесорами Intel 80486 чи аналогічних процесорів інших фірм. Пам'ять могла працювати на частотах 25 МГц і 33 МГц, із часом повного доступу 70 нс і 60 нс, та часом робочого циклу 40 нс і 35 нс відповідно.
5. 5. Пам'ять із вдосконаленим виходом
Із появою процесорів Intel Pentium II пам'ять FPM DRAM виявилася зовсім неефективною. Тому наступним кроком стала пам'ять із вдосконаленим виходом (англ. extended data out DRAM, EDO DRAM). Ця пам'ять з'явилася на ринку в 1996 році і стала активно використовуватися на комп'ютерах із процесорами Intel Pentium і новіше. Її продуктивність виявилася на 10-15 % вище в порівнянні із пам'яттю типу FPM DRAM. Її робочі частоти були 40 МГц і 50 МГц, відповідно і час повного доступу - 25 нс і 20 нс. Ця пам'ять містить регістр-застібку (англ. data latch) вихідних даних, що забезпечувало деяку конвеєризацію роботи для підввищення продуктивності при читанні.
5. 6. Синхрона DRAM
В зв'язкуз випуском нових процесорів і поступовим збільшенням частоти системної шины, стабільність роботи пам'ті тиау EDO DRAM стала помітно падати. Їй на зміну прийшла синхрона пам'ть (англ. synchronous DRAM, SDRAM). Новими особливостями даного типу пам'яті являлося використання тактового генератора для синхронізації всіх сигналів та використання конвеєрної обрабки інформації. Також пам'ять могла працювати при значно вищих частотах системної шини (100 МГц і вище). Недоліками даного типу пам'яті являлися їх висока ціна, а також несумісність із багатьма чипсетами і материнськими платами в силу своїх нових конструктивних особливостей. Робочі частоти даного типу пам'яті могли дорівнювати 66 МГц, 100 МГц чи 133 МГц, час повного доступу — 40 нс і 30 нс, а час робочого циклу — 10 нс і 7,5 нс.
5. 7. Пакетна EDO RAM
Пакетна пам'ять EDO RAM (англ. burst extended data output DRAM, BEDO DRAM) стала дешевою альтернативою пам'яті SDRAM. Заснована на пам'яті EDO DRAM, її ключовою особливістю являлася технологія поблочного читання даних (блок даних читався за один такт), що зробило її роботу швидше, ніж у пам'яті типу SDRAM. Але неможливість працювати на частоті системної шини більше 66 МГц не дозволило даному типу пам'яті стати популярною.
5. 8. DDR SDRAM
У порівнянні із звичайною пам'яттю типу SDRAM, в пам'яті DDR SDRAM (англ. double data rate SDRAM, SDRAM із подвоєною швидкістю передачі даних або SDRAM II) була вдвічі збільшена пропускна здатність. Спочатку пам'ять даного типу використовувалася у відеокартках, але потім з'явилася підтримка DDR SDRAM зі сторони чипсетів. Пам'ять працює на частотах 100 МГц и 133 МГц, її час повного доступу - 30 нс і 22,5 нс, а час роботи циклу - 5 нс і 3,75 нс.
5. 9. Direct RDRAM, або Direct Rambus DRAM
Тип пам'яті RDRAM являєтсья розробкою компанії Rambus. Висока швидкодія цієї пам'яті досягається рядом особливостей, які не зустрічаються в інших типах пам'яті. Початкова дуже висока вартість пам'яті RDRAM призвела до того, виробники потужніх комп'ютерів віддали перевагу менш потужній, але більш дешевшій пам'яті DDR SDRAM. Робочі частоти пам'яті - 400 МГц, 600 МГц и 800 МГц, час повного доступу - до 30 нс, час робочого циклу - до 2,5 нс.
5. 10. DDR2 SDRAM
Конструктивно новий тип оперативної пам'яті DDR2 SDRAM був випущений в 2004 році. Базуючись на технології DDR SDRAM, цей тип пам'яті за рахунок технічних змін показує більш високу швидкодію. Пам'ять може працювати на частотах 200 МГц, 266 МГц, 333 МГц і 400 МГц. Час повного доступу - 25 нс, 11,25 нс, 9 нс, 7,5 нс. Час робочого циклу - 5 нс, 3,75 нс, 3 нс, 3,5 нс.
6. Корпуси
Різні корпуси DRAM. Зверху вниз: DIP, SIP, SIMM (30-контактний), SIMM (72-контактний), DIMM (168-контактний), DIMM (184-контактний, DDR)
Елементи пам'яті типу DRAM конструктивно виконуються або у вигляді окремих мікросхем в корпусі тпипу DIP, або у вигляді модулів пам'яті типу: SIP (Single In-Line Package), SIMM (Single In-line Memory Module), DIMM (Dual In-line Memory Module), RIMM (Rambus In-line Memory Module). Мікросхеми в корпусах типу DIP випускалися до використання модулів пам'яті. Ці мікросхеми мають два ряди контактів, розташованих вздовш довгих сторін чипу, і загнуті донизу.
6. 1. Модулі SIP
Модулі типу SIP являють собою прямокутні плати із контактами у вигляді невеликих штирьків. Даний тип пам'яті на даний час практично не використовується, так як був витіснений модулями пам'яті типу SIMM.
6. 2. Модулі SIMM
Модулі типу SIMM являють собою прямокутну плату із контактною полосою вздовж однієї із сторін, модулі фіксуються в роз'ємі поворотом за допомогою защібок. Найбільш поширені 30- і 72- контактні SIMM. найчастіше вживаними були модулі на 4, 8, 16, 32 і навіть 64 Мбайт.
6. 3. Модулі DIMM
Модулі типу DIMM найбільш поширені у вигляді 168-контактних модулів, встановлюваних в роз'єми вертикально і зафіксовуються защібками. В портативних пристроях широко використовуються SO DIMM - різновид DIMM малого розміру (англ. SO — small outline), які в першу чергу призначалися для портативних комп'ютерів. Найчастіше зустрічаються 72- і 144- контактні модулі типу SO DIMM. Пам'ять типу DDR SDRAM випускається у вигляді 184-контактних DIMM-модулів, а для пам'яті типу DDR2 SDRAM випускаются 240-контактні модулі.
6. 4. Модулі RIMM
Модулі типу RIMM менш поширені, в таких модулях випускаєтсья пам'ять типу Direct RDRAM. Вони представлені 168/184-контактними[2] прямокутними платами, які обов'язково повинні встановлюватися виключно парами, а в порожні роз'єми обов'язково повинні бути зайняті спеціальними заглушками. Це пов'язано із особливостями конструкції таких модулів. Також існують модулі 232-pin PC1066 RDRAM RIMM 4200, які не сумісні із 184-контактним роз'ємом.
7. Виробники
В п'ятірку найбільших виробників DRAM станом на початок 2008 року увійшли Samsung, Hynix, Elpida, Micron, Qimonda. Хоча лідером по об'ємах виробництва готових DRAM-модулів являється американська компанія Kingston.
| Назва | Веб-сайт |
| Apacer | http://www.apacer.com/ |
| Corsair Memory | http://www.corsairmemory.com/ |
| Crucial Technology | http://www.crucial.com/ |
| EDGE Memory | http://www.edgememory.com/ |
| GEIL | http://www.geilusa.com/ |
| G.Skill | http://www.gskill.com/ |
| Hynix | http://www.hynix.com/ |
| Kingston Technology | http://www.kingston.com/ |
| Legend | http://www.legendmemory.com/ |
| Micron Technology | http://www.micron.com/ |
| Mushkin | http://www.mushkin.com/ |
| OCZ Technology | http://www.ocztechnology.com |
| Qimonda | http://www.qimonda.com |
| Samsung | http://www.samsung.com/ |
| SimpleTech | http://www.simpletech.com/ |
| Super Talent Technology | http://www.supertalent.com/ |
| Ultra Products | http://www.ultraproducts.com/ |
| Wintec Industries | http://www.wintecind.com/ |
| Team Group | http://www.teamgroup.com.tw/ |
Хід роботи
Розглянути будову, принцип роботи та основні характеристиками динамічної пам'яті на власному ПК.
Провести діагностику за допомогою однієї з програм
Оформити звіт у вигляді таблиці та рисунків.