• Гаджеты
• Android
• Windows
• Ios
• Блог

Как называется элементарная ячейка оперативной памяти. Структура оперативной памяти

Итак, оперативная память компьютера, которая еще называется энергозависимой. Она же - DRAM (Dynamic Random Access Memory) - динамическая память с произвольным доступом или оперативное запоминающее устройство, сокращенно - ОЗУ.

Давайте разберемся почему же она именно так называется? Во время работы компьютера в оперативной памяти хранятся все данные и программы, запущенные во время работы пользователем. Слово «энергозависимая» в отношении памяти означает лишь то, что при выключении питания системного блока (завершения работы) оперативная память компьютера обнуляется. Исчезает все ее содержимое.

Есть еще энергонезависимая память - это жесткий диск Вашего компьютера, ведь данные на нем сохраняются даже после выключения питания.

«Динамическая память с произвольным доступом»: доступ (обращение) к разным ее ячейкам происходит в произвольном порядке и в разные моменты времени, отсюда и определение. А вот со словом «динамическая» ситуация более сложная. Давайте разбираться!

Наименьшей единицей структуры оперативной памяти компьютера является ячейка. Массив близко расположенных ячеек объединяется в условные прямоугольные таблицы, которые называются матрицами. Горизонтальные линейки такой матрицы называют строками, а вертикальные столбцами. Весь прямоугольник матрицы носит название «страница», а совокупность страниц называется банком. Все эти вещи немного виртуальны, в том смысле, что, к примеру, «банком» может называться как целый модуль DIMM, так и отдельная его часть (микросхемы памяти, расположенные с одной его стороны).

В любом случае, схему строения оперативной памяти компьютера (ее фрагмента) можно видеть на картинке ниже:

Как мы уже говорили, наименьшей единицей на физическом уровне является ячейка. Ячейка состоит из одного микро-конденсатора (на схеме выше обозначен как С) и трех транзисторов (VT). Конденсатор хранит небольшой заряд, а транзисторы выступают в роли «ключей», которые, с одной стороны, не дают заряду конденсатора самопроизвольно стечь, а с другой, - разрешают/запрещают доступ к конденсатору на чтение или изменение.

Каждый конденсатор может хранить наименьшую единицу информации - один бит данных. Если конденсатор заряжен, то, согласно двоичной системе счисления, применяющейся в компьютерах, - это логическая «единица», если заряда нет - логический «ноль» и данных нет.

В теории схема организации работы оперативной памяти выглядит красиво, но идеальных решений нет и на практике разработчикам приходится сталкиваться с тем, что заряд из конденсатора достаточно быстро уходит или происходит его частичная самопроизвольная разрядка (не спасают положение и «ключи»), поэтому не остается иного выхода, как периодически подзаряжать его. Насколько часто? Несколько десятков раз в секунду! И это при том, что таких конденсаторов в одном чипе памяти - несколько миллионов!

В итоге, состояние всей памяти должно постоянно считываться и за небольшой промежуток времени снова обновляться (в противном случае все ее данные просто исчезнут). Вот именно поэтому она получила название «динамическая», имелось в виду ее динамическое автоматическое обновление или регенерация. На фото выше мы можем видеть специальные ее блоки, которые отвечают за эту функцию.

Также нужно учитывать то, что процесс считывания в DRAM деструктивен: после обращения к любой ячейке ее конденсатор разряжается и чтобы не потерять содержащиеся в ней данные конденсатор нужно снова зарядить. Второй «сюрприз» состоит в том, что, в силу конструктивных особенностей, дешифратор адреса строки/столбца отдает команду на считывание не одной конкретной ячейки, а сразу всей строки (или столбца). Считанные данные полностью сохраняются в буфере данных и потом из них уже отбираются запрашиваемые приложением. После этого сразу же нужно перезарядить целый ряд ячеек!

Хоть и может показаться, что процесс регенерации (обновления) носит несколько хаотичный характер, но это не так. Контроллер оперативной памяти через равные промежутки времени берет строго регламентированную технологическую паузу и в это время проводит полный цикл регенерации всех данных.

Когда-то я прочитал хорошую фразу: «Динамическую память можно сравнить с дырявым ведром. Если его постоянно не пополнять, то вся вода вытечет!» Что-то условно похожее и происходит в ситуации с DRAM. Естественно, все эти дополнительные команды и циклы зарядки-разрядки приводят к дополнительным задержкам в работе и не являются признаком высокого КПД конечного изделия. Так почему нельзя придумать что-то более эффективное? Можно! И оно уже придумано - статическая память с произвольным доступом (SRAM - Static Random Access Memory).

Статическая память работает намного быстрее динамической посредством переключения триггеров и не нуждается в регенерации. Она с успехом применяется при построении кешей центрального процессора и в кадровых буферах дискретных видеокарт . Можно ли организовать на базе SRAM основную системную память компьютера? Можно, но из-за усложнения конструкции она будет стоить намного дороже и производителям это просто не выгодно:)

Думаю, логично, если рассматривать мы будем оперативную память типа DIMM. Аббревиатура расшифровывается как «Dual In-Line Memory Module» (двухсторонний модуль памяти), а именно такие платы до сегодняшнего дня и используются в персональных компьютерах.

Память стандарта DIMM в конце 90-х годов прошлого века пришла на смену предыдущему стандарту SIMM (Single In-Line Memory Module - односторонний модуль памяти). Фактически, модуль DIMM представляет собой печатную плату с нанесенными на нее контактными площадками. Это - своеобразная основа: чипы памяти и прочая электрическая «обвязка» производителем добавляются уже потом.

Принципиальное отличие DIMM от SIMM, кроме размеров, состоит в том, что в новом стандарте электрически контакты на модуле расположены с двух сторон и являются независимыми, а в SIMM они расположены только с одной его стороны (встречаются и с двух, но там они просто закольцованы и передают, по сути, один и тот же сигнал). Стандарт DIMM способен также реализовывать такую функцию, как обнаружение и исправление ошибок с контролем четности (ECC), но об этом ниже.

Оперативная память компьютера это то место, где центральный процессор сохраняет все промежуточные результаты своих вычислений и работы, забирая их обратно по необходимости для дальнейшей обработки. Можно сказать, что RAM - это рабочая область для центрального процессора компьютера.

Услугами оперативной памяти также с удовольствием пользуются и видеокарты (если им не хватает для размещения данных объема своей). Встроенное видео собственной вообще не имеет и без зазрения пользуется оперативной.

Давайте посмотрим на то, как выглядят обычные модули DIMM:

Оперативная память компьютера - многослойная пластина текстолита (на фото - зеленая и красная соответственно). Печатная плата (PCB - printed circuit board) - это основа с нанесенными на ней печатным способом элементами. Впаянное в нее определенное количество микросхем памяти (на фото - по четыре с каждой стороны) и разъем подключения, который вставляется в соответствующий слот на материнской плате .

Разъем модуля, фактически, определяет тип нашей DRAM (SDRAM, DDR, DDR2, DDR3 и т.д.). Присмотритесь повнимательней и Вы увидите, что на фотографии разъем разделен пополам небольшим разрезом (его называют «ключ»). Именно этот «ключ» не позволяет вставить модуль памяти в несовместимый с ней разъем на материнской плате. Важно: «ключи» на модуле и на плате должны совпадать идеально. Это защита от неправильной установки в плату.

На схеме ниже представлено расположение «ключей» для разных типов модулей:

Как видите, длина у всех модулей одинаковая. Внешне разница только в количестве контактных площадок на разъеме и расположении «ключей».

Теперь коротко рассмотрим самые распространенные типы оперативной памяти. Разные ее поколения:

• SDRAM - (Synchronous Dynamic Random Access Memory - синхронная динамическая память с произвольным доступом). Модуль с 168-мю пинами (контактами), питающийся от напряжения 3,3 Вольта (V).
• DDR - (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных). Позволяет (в отличие от SDRAM) делать выборку (или передавать данные) дважды за один такт шины памяти. Модуль имеет 184 контакта, его питающее напряжение - 2,6 V. С появлением памяти стандарта DDR предыдущее поколение памяти стали называть SDR SDRAM (Single Data Rate DRAM).
• DDR2 - следующее поколение чипов. Она позволяет за один такт передавать уже 4 бита информации (два набора данных) из ячеек микросхем памяти в буферы ввода-вывода. Печатная плата с 240-ка контактами (по 120 с каждой стороны). Ее напряжение питания - 1,8 В.
• DDR3 - следующее поколение, способное за один такт делать выборку 8-ми бит данных, 240 контактов и питающее напряжение в 1,5 Вольта. При этом энергопотребление памяти DDR3 на 40% меньше, чем у DDR2, что достаточно важно при ее использовании с мобильных устройствах (ноутбуках). Снижение энергопотребления достигается за счет перехода на более «тонкий» техпроцесс (90-65-50-40 нанометров).
• DDR4 - появилась на рынке в 2014-ом году. Эволюция DDR3 (пониженное напряжение (1.2V), чуть больше контактов - 288, чуть выше модуль, скорость передачи удвоена за счет двойного количества самих чипов памяти). Скорость передачи данных до 3.2 Гигабита в секунду. Максимальная частота работы памяти данного типа - 4 266 МГц

Итак, признаками, которые характеризуют оперативную память компьютера можно считать следующие:

1. Тип ОЗУ (SDRam, DDR и т.д.)
2. Объем модулей
3. Тактовая частота их работы
4. Тайминги (задержки при доступе и выборке данных из чипов - латентность)

Пункт первый мы рассматривали выше, а вот по остальным давайте пройдемся. Объем микросхем памяти сейчас постоянно увеличивается и сейчас модулем в 1 Gb (гигабайт) уже никого не удивишь. А раньше я хорошо помню, какой благоговейный трепет вызывала во мне фраза: «У меня на работе на компьютере установлено 128 мегабайт RAM!» Причем знакомый на тот момент работал с трехмерной графикой в программе моделирования «3DMax»:) Сейчас есть модули по 16 гигабайт каждый и я уверен, что это не предел.

Идем дальше: тактовая частота. Измеряется в мегагерцах (МГц - MHz) и общим правилом является то, что чем она больше, тем память работает быстрее. Например, память DDR4 работает на частоте 4266 Мегагерц. При более высокой частоте возрастает и пропускная способность оперативной памяти (то, сколько данных она может «прокачать» через себя за единицу времени).

Вот небольшая сводная таблица, наглядно показывающая этот момент:

Тайминги (латентность) - это показатель временной задержки между поступлением в память команды и временем ее выполнения. Латентность определяется таймингами, измеряемыми в количестве тактов между отдельными командами. Настройка таймингов происходит в биосе и изменением их значений можно добиться определенного прироста производительности работы компьютера.

Пользуясь случаем, хотелось бы добавить небольшую ремарку по поводу всех этих «новых» типов памяти: DDR2, 3, 4 и т.д. Грубо говоря, это все тот же старый добрый SDRAM модуль, но немного переделанный. Поскольку увеличивать частоту работы самой памяти накладно (никто не любит заниматься этим из-за неизбежного нагрева, возникающего после этого), производители пошли на хитрость.

Вместо существенного увеличения тактовой частоты самой памяти, они увеличили разрядность внутренней шины данных (от ячеек матриц памяти до буферов ввода-вывода) и сделали ее в два раза большей, чем разрядность внешней шины (от контроллера до микросхем памяти). Получилось, что за один такт считывается столько данных, сколько раньше считывалось по внешней шине только за два такта. При этом, ширина внешней шины данных составляет, как и раньше, 64 бита, а внутренней - 128/256/512 и т.д. бит.

Еще одной «уловкой», позволяющей поднять быстродействие без увеличения частоты является параллельная установка модулей для включения двух и трехканального режимов работы (double и triple-channel соответственно). Это еще немного увеличивает быстродействие подсистемы памяти (5-10 процентов). Для работы в таком режиме предпочтительно использовать Kit-ы. «KIT» - это набор модулей, состоящий из нескольких «планок», которые уже протестированы для кооперативной работы друг с другом.

На современных материнских платах слоты (разъемы) для памяти через один выделены разными цветами. Это сделано именно для облегчения установки в них похожих (в идеале - одинаковых) модулей. Если установка прошла успешно, режим мультиканальности включится автоматически. На фото ниже представлены платы с возможностью работы оперативной памяти в трех и четырехканальном режимах.

А вот так могут выглядеть на плате четыре канала оперативной памяти (quad-channel) :

Сейчас мультиканальные режимы памяти используются достаточно широко. Идея состоит в следующем: двухканальный контроллер памяти может обращаться одновременно (параллельно) к каждому четному и нечетному модулю. Например: первый и третий модуль передают и принимают данные одновременно со вторым и четвертым. При традиционном подходе (одноканальный режим) все установленные модули обслуживались одним контроллером (каналом), которому приходилось быстро переключаться между ними.

Общая скорость каждого канала определяется самым медленным модулем DIMM, который в нем установлен. Также старайтесь придерживаться рекомендации, гласящей: в каждый из каналов нужно устанавливать планки одинакового объема.

Сейчас несколько слов о микросхемах оперативной памяти (чипах). Как и любой элемент компьютера на который подается напряжение, память греется. Как мы помним, комплектующие внутри системного блока подпитываются определенным количеством постоянного тока, которое им отдает блок питания - 12V, 5V или 3 Вольта.

Греются непосредственно сами микросхемы. И некоторые производители плат ставят на свои изделия небольшие радиаторы для отвода тепла. Радиаторы, как правило, просто приклеиваются с помощью специального состава или держатся на термопасте .

Радиатор также может защелкиваться сверху:

Вот, к примеру, какой образец оперативной памяти компьютера от брендовой компании «OCZ» находится в моей домашней коллекции:

Вещь! Двойной радиатор, плата приятно тяжелит ладонь и вообще производит впечатление предмета, сделанного на совесть. Плюс - пониженные тайминги работы:)

Помню в 2008-ом году я некоторое время работал на одной крупной фирме. Компьютеризировано там было все достаточно серьезно. В IT отделе там работали, в хорошем смысле этого слова, настоящие «маньяки» своего дела:) Когда я впервые посмотрел на вкладку свойств тамошнего терминального сервера, который работал под управлением 64-х разрядной ОС Windows Server 2003, я мягко говоря, очень удивился. Я увидел цифру в 128 (сто двадцать восемь) гигабайт оперативной памяти! Понимая, что выгляжу глупо, я все таки решил переспросить, так ли это? Оказалось, что так оно и есть на самом деле (128 гигабайт DRAM). Жаль, что мне тогда не удалось взглянуть на ту материнскую плату:)

Продолжаем! Чипы памяти могут быль расположены как с одной стороны печатной платы текстолита, так и с обеих и быть разной формы (прямоугольные или квадратные), установленные как планарные SMD или же BGA компоненты. Высота самого модуля также может быть разной. Каждый из чипов оперативной памяти имеет определенную емкость, измеряемую в мегабайтах (сейчас - в гигабайтах).

Например, если у нас планка имеет объем в 256 мегабайт и состоит из 8-ми чипов то (делим 256 на 8) и получаем, что в каждой микросхеме содержится по 32 мегабайта.

Не могу обойти вниманием особый класс памяти - серверную DRAM. На фото ниже представлены несколько модулей: первый и третий - серверные варианты (можете нажать на фото для увеличения).

Чем же серверная память отличается от обычной? Даже визуально на фото выше видно, что решения для серверов имеют дополнительные чипы на плате, которые обеспечивают ей дополнительный функционал. Какой? Давайте посмотрим! Прежде всего, выясним, какие дополнительные компоненты на печатной плате оперативной памяти (кроме самих чипов ОЗУ) являются стандартными? Это ряд твердотельных танталовых SMD конденсаторов, расположенных непосредственно над контактными площадками модуля. Это - компоненты «обвязки» платы памяти.

Вторым обязательным элементом (на фото выше отмечен зеленым) можно назвать микросхему SPD. Аббревиатура расшифровывается как «Serial Presence Detect» - интерфейс последовательного детектирования или последовательное определение наличия. Как-то так:) По сути, - это программируемое ПЗУ, в котором «зашиты» настройки каждого модуля памяти: все параметры, частоты, тайминги, режимы работы и т.д. Именно оттуда при старте компьютера они считываются микросхемой биоса.

Дополнительным микросхемы на серверных платах (обведены красным) обеспечивают возможность выявления и исправления ошибок чтения/записи (технология ECC) и частичной буферизации (регистровость памяти).

Примечание: ECC - (error-correcting code - код коррекции ошибок) Алгоритм выявления и исправления случайных ошибок при передаче данных (не более одного-двух битов в байте).

Для реализации этих возможностей на модуль устанавливается дополнительная микросхема памяти и он становится не 64-х разрядным, как обычные DIMM, а 72-ти двух. Поэтому далеко не все материнские платы могут работать с подобной памятью. Некоторые, надо отдать им должное, - работают! :)

Нажмите на фото выше и Вы сможете увидеть дополнительные обозначения на стикере (выделены красным), которых нет для обычной памяти. Я имею в виду такие сокращения, как: «SYNCH», «CL3 (2.5)», «ECC» и «REG». Остановимся на них отдельно. Поскольку первый из приведенных на фото модулей относится к периоду распространения персональных компьютеров под общим брендом «Pentium», то на нем отдельно присутствует обозначение «SYNCH».

Помните как расшифровывается первая буква аббревиатуры памяти типа SDRAM? Synchronous (синхронная) DRAM. Тип DRAM, работающий настолько быстро, что его можно было синхронизировать по частоте с работой контроллера оперативной памяти. На тот момент это был прорыв! Предыдущие поколения ОЗУ работали в асинхронном режиме передачи данных. Теперь же, команды могли поступать в контроллер непрерывным потоком, не дожидаясь выполнения предыдущих. С одной стороны, это сокращало общее время на их передачу, но с другой (поскольку команды не могли выполняться со скоростью их поступления) появлялось такое понятие, как латентность - задержка выполнения.

Именно о величине латентности модуля серверной памяти говорит нам второй показатель на стикере «CL3». Расшифровывается как «Cas Latency» - минимальное время, измеряемое в тактах системной шины, между командой на чтение (CAS, по факту - передачей в память нужного адреса строки или столбца) и началом передачи данных.

Другое дело, что маркетологи даже здесь пытаются нас надурить и указывают только одну (наименьшую) из всех возможных задержек. На самом деле, разновидностей таймингов существует достаточно много и это - логично: организация работы по передаче, выборке и записи данных в таком большом массиве настолько сложна, что было бы странно, если бы задержек в работе памяти не было совсем или дело ограничивалось одной!

Для примера, некоторые (далеко не все) задержки представлены в таблице ниже:

Таким образом, указывая значение латентности только для одного параметра (CL) с наименьшим показателем и не давая представления о задержках памяти при других операциях, нам пытаются это дело втюхать! Не буду утверждать, что так и происходит, но ощущение возникает именно такое:)

Обозначение ECC мы уже рассматривали выше, не будем повторяться. А вот с указателем «REG» давайте разберемся! Как правило, так обозначаются регистровые (Registered) модули оперативной памяти. Что это значит? Между чипами ОЗУ и шиной устанавливается дополнительная микросхема, которая выполняет роль своеобразного буфера. Поэтому подобный тип регистровой памяти часто называют буферизованной (Buffered) или с частичной буферизацией.

Наличие на модуле памяти специальных регистров (буфера) снижает нагрузку на систему синхронизации (электрической регенерации), разгружая ее контроллер. Регистры относительно быстро сохраняют поступающие в них данные, которые часто требуются приложению. Наличие буфера между контроллером и чипами памяти приводит к образованию дополнительной задержки в один такт, но для серверных систем это нормально. Получаем более высокую надежность за счет небольшого падения производительности.

Оперативная память для ноутбуков называется SO-Dimm и имеет, в силу понятных причин, укороченный дизайн. Выглядит она следующим образом:

Она гораздо более компактна, чем ее десктопные визави, но также имеет уникальный «ключ». Запомните: по положению «ключа» можно определить тип микросхемы. Ну, еще - по надписи на стикере (наклейке) :)

И совсем уж напоследок: приобретайте оперативную память зарекомендовавших себя производителей: «Samsung», «Corsair», «Kingston», «Patriot», «Hynix», «OCZ» и тогда проблемы оперативной памяти будут обходить Вас стороной.

Устройство и принцип работы оперативной памяти

Оперативная память - это неотъемлемый компонент любой компьютерной системы, эта память хранит в себе данные, необходимые для работы всей системы в определённый момент времени. При создании чипов оперативной памяти используют динамическую память, которая медленнее, но дешевле чем статическая, которая используется при создании кеш памяти процессоров.

Из чего состоит ядро оперативной памяти

Ядро микросхемы оперативной памяти состоит из огромного количества ячеек памяти, которые объединены в прямоугольные таблицы - матрицы. Горизонтальные линейки матрицы называют строками , а вертикальные столбцами . Весь прямоугольник матрицы называться страницей , а совокупность страниц называется банком .

Горизонтальные и вертикальные линии являются проводником, на пересечении горизонтальных и вертикальных линий и находятся ячейки памяти .

Из чего состоит ячейка памяти

Ячейка памяти состоит из одного полевого транзистора и одного конденсатора . Конденсатор выполняет роль хранителя информации, он может хранить один бит данных, то есть либо логическую единицу (когда он заряжен), либо логический ноль (когда он разряжен). Транзистор выполняет роль электрического ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания.

Регенерация памяти

Конденсатор, который служит хранителем данных, имеет микроскопические размеры и как следствие маленькую ёмкость, и ввиду этого не может долго хранить заряд заданный ему, по причине саморазряда. Для борьбы с этой проблемой, используется регенерация памяти , которая, с определённой периодичностью считывает ячейки и записывает заново. Благодаря подобному явлению, эта память и получила название динамической.

Чтение памяти

Если нам нужно прочитать память, то на определённую строку страницы памяти, подаётся сигнал, который открывает транзистор и пропускает электрический заряд, который содержится (или не содержится) в конденсаторе на соответствующий столбец. К каждому столбцу подключен чувствительный усилитель, который реагирует на незначительный поток электронов выпущенных с конденсатора. Но тут есть нюанс - сигнал, поданный на строку матрицы, открывает все транзисторы данной строки, так как они все подключены на данную строку, и таким образом происходит чтение всей строки. Исходя из вышесказанного, становится ясно, что строка в памяти, является минимальной величиной для чтения - прочитать одну ячейку, не затронув другие невозможно.

Процесс чтения памяти является деструктивным, так как прочитанный конденсатор отдал все свои электроны, что бы его услышал чувствительный усилитель. И по этому, после каждого чтения строки, её нужно записать заново.

Интерфейс памяти

У интерфейсной части памяти следует выделить линии адреса и линии данных. Линии адреса указывают на адрес ячейки, а линии данных производят чтение и запись памяти.

Оперативная память (RAM - Random Access Метопy ) - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но, с точки зрения физического принципа действия, различают динамическую память (DRAM ) и статическую память (SRAM ).

Ячейки динамической памяти (DRAM ) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не “подзаряжать”, утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение , подзарядка ) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM ) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры , состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен ), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти ), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 2 32 . Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 2 32 = 4294967296 байт (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом ) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов ноле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня минимальным считается размер оперативной памяти 32 Мбайт, а обычным - 64 Мбайт. Очень скоро и эта величина будет превышена в 2-4 раза даже для моделей массового потребления.

Оперативная память к компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Коли к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM-модули ) и двухрядные (DIММ-модули ). Многие модели материнских плат имеют разъемы как того, гак и другого типа, по комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.

Основными характерно гиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM-модули - 16, 32, 64, 128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти, чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах , нс ). Для современных DIMM-модулей оно составляет 7-10 нс.

ОЗУ - это наибольшая часть основной памяти. ОЗУ предназначено для хранения переменной (текущей, быстро изменяющейся) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений. Это означает, что процессор может выбрать (режим считывания ) из ОЗУ команду или данные и после обработки поместить полученный результат (режим записи ) в ОЗУ. Размещение новых данных возможно на тех же местах, где ранее находились исходные данные. Понятно, что прежние данные будут стерты. ОЗУ позволяет кратковременно (до выключения питания) хранить записанную информацию. Данные, адреса и команды, которыми процессор обменивается с памятью, часто называют операндами .

Выполняемая в данный момент компьютером программа (активная) чаще всего располагается в ОЗУ (и лишь иногда в ПЗУ).

Основной составной частью ОЗУ является массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может хранить один бит информации (запоминать два состояния 0 или 1).

Каждый ЭП имеет свой адрес (по-другому можно сказать - порядковый номер). Для обращения к ЭП (с целью записи или считывания информации) его необходимо «выбрать» с помощью кода адреса. Оперативная память является электронной памятью, потому что она создается с помощью микросхем - изделий микроэлектроники.

Микросхемы памяти бывают одноразрядные и многоразрядные.

В одноразрядных микросхемах памяти код адреса (иногда говорят просто - адрес) выбирает один элемент памяти из множества элементов, расположенных в матрице накопителя. После выбора элемента в него можно записать информацию или, наоборот, считать из него один бит информации. Специальный управляющий сигнал Зп/сч (Write/Read) указывает микросхеме, что она должна делать: записывать или считывать информацию. Управляющие сигналы на этот вход поступают от процессора. В одноразрядных микросхемах памяти имеются один вход для записи информации и один выход для ее считывания.

Разрядность кода адреса m в одноразрядных микросхемах памяти определяет информационную емкость, т. е. число ЭП в матрице накопителя. Емкость такой микросхемы рассчитывается по формуле 2 m . Например, если у одноразрядной микросхемы памяти имеется 10 адресных входов, то информационная емкость составит N = 2 10 = 1024 бита.

Некоторые микросхемы памяти имеют многоразрядную структуру, называемую также словарной. У таких микросхем памяти имеется несколько информационных входов и столько же выходов. Поэтому они допускают одновременную запись (или считывание) многоразрядного кода, который принято называть словом . Один адрес позволяет считать информацию сразу из нескольких ЭП. Группа элементов памяти, из которых одновременно считывается информация, называется ячейкой памяти. Таким образом, ячейка памяти - это несколько ЭП, имеющих общий адрес.

На английском языке оперативная память называется R andom A ccess M emory (RAM) - память с произвольным доступом. Термин «произвольный доступ » означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любого (в любой) ЭП. Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой, прежде чем считать нужную информацию, нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

Используется два основных типа оперативной памяти: статическая (SRAM - Static RAM) и динамическая (DRAM - Dynamic RAM).

Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации. Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью цикла (cycle time). Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем меньше эти величины, тем выше быстродействие памяти.

Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).

Длительность цикла определяется минимальным допустимым временем между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах - схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).

Конструктивно микросхема памяти выполняется в виде прямоугольной матрицы , причем ЭП располагаются на пересечении строк и столбцов. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который разбивается на две части. Одна часть адреса используется для выбора строк матрицы накопителя, а вторая - для выбора столбцов.

На рисунке приведена структурная схема микросхемы памяти К561РУ2, у которой 8 адресных входов: a 7 a 6 , …, a 0 . Это позволяет разместить в матрице 2 8 = 256 элементов памяти. Адресные входы разделены на две равные части (матрица квадратная). Младшая часть адреса a 3 a 2 a 1 a 0 позволяет выбрать одну из шестнадцати строк x 0 , x 1 , x 2 , …, x 15 . При помощи старшей части адреса a 7 a 6 a 5 a 4 происходит выбор одного из шестнадцати столбцов y 0 , y 1 , …, y 15 .

Чтобы выбрать какой-то ЭП, нужно активизировать строку и столбец, на пересечении которых располагается нужный ЭП.

Например, чтобы выбрать ЭП 0, нужно на все адресные входы микросхемы подать нули, тогда дешифратор строк DCR (D ec oder R ow) и дешифратор столбцов DCC (D ec oder C olumn) активизируют соответственно строку x 0 и столбец y 0 . На их пересечении располагается ЭП 0, в который, после его выбора, можно записать (или считать) информацию.

Аналогично выбираются другие ЭП. Так, для выбора ЭП 241 нужно активизировать строку x 1 и столбец y 15 . Для этого на младшую группу адресов (a 3 , …, a 0 ) нужно подать двоичный код 0001, а на старшую группу адресов (a 7 , …, a 4 ) - все единицы.

Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую удельную плотность размещения хранящихся данных. В динамической памяти ЭП построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо меньшую площадь, чем триггеры в статических ЭП. Для построения динамического элемента памяти требуется всего 1-2 транзистора.

Регенерация заряда должна происходить достаточно часто. Подтверждением этого являются следующие рассуждения. Так как необходимо получить высокую удельную плотность хранения информации, емкость конденсатора не может быть большой (практически величина емкости запоминающих конденсаторов составляет порядка 0,1 пФ). Постоянная времени разряда определяется как произведение емкости конденсатора на сопротивление закрытого транзистора. Это произведение составляет величину порядка

= RC = 10 10 0,110 -12 = 10 -3 c.

Таким образом, постоянная времени разряда составляет одну миллисекунду и, значит, регенерация заряда должна происходить примерно тысяча раз в секунду.

Необходимость частой подзарядки запоминающих конденсаторов в матрице накопителя приводит к снижению быстродействия динамической памяти. Однако, благодаря малым размерам конденсатора и малому числу дополнительных элементов, удельная плотность хранения информации динамической памяти выше, чем у статической памяти.

Емкость микросхем динамической памяти составляет десятки Мбит на один корпус. Возможность размещения на одном кристалле большого числа ЭП вызывает другую конструкторскую проблему: необходимо использовать большое число адресных входов. Для снижения остроты этой проблемы используют мультиплексирование.

Мультиплексирование - это технический прием временного уплотнения информации, благодаря которому удается по одним и тем же электрическим цепям передать разную информацию для различных приемников (потребителей) информации. Так, конструкторы вдвое уменьшают число адресных входов у микросхем памяти. Адрес делят на две равные части и вводят его в микросхему поочередно: сначала младшую часть, а затем старшую часть адреса. При этом первая часть осуществляет выбор нужной строки в матрице накопителя, а вторая часть активизирует соответствующий столбец.

Для того чтобы микросхема памяти «знала», какая часть адреса вводится в данный момент времени, ввод каждой группы адреса сопровождается соответствующим управляющим сигналом.

Так, синхронно с вводом младшей части адреса на микросхему подается сигнал RAS (R ow A ddress S trobe) - сигнал стробирования (сопровождения) адреса строки. Практически одновременно с вводом старшей части адреса на микросхему памяти подается сигнал CAS (C olumn A ddress S trobe) - стробирование адреса столбца.

После завершения выбора какого-либо ЭП требуется время, в течение которого происходит восстановление микросхемы в исходное состояние. Данная задержка связана с необходимостью перезарядки внутренних цепей микросхемы. Длительность этой задержки существенна и составляет до 90% от времени цикла.

Обходят это нежелательное явление различными конструктивными ухищрениями. Например, при записи нескольких следующих друг за другом операндов, их располагают на одной строке матрицы, но в разных столбцах. Экономия времени достигается тем, что не нужно ожидать завершения переходных процессов при смене адреса строк.

Другой способ повышения быстродействия заключается в том, что память разбивают на блоки (банки), из которых процессор считывает данные попеременно. Таким образом, пока считываются данные из одной области памяти, вторая получает время на завершение переходных процессов.

Разработаны различные модификации статической и динамической памяти.

FPM DRAM (F ast P age M ode DRAM) - динамическая память с быстрым страничным доступом . Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора одной строки матрицы удерживается сигнал выбора строки RAS и производится многократное изменение адресов столбцов (с помощью сигнала CAS). В этом случае не тратится время на завершение переходных процессов при изменении адреса строки. Другими словами, адрес строки остается некоторое время постоянным, а изменяются адреса столбцов. В этом случае страницей называют элементы памяти, расположенные на одной строке матрицы.

EDO (E xtended D ata O ut) - эти микросхемы характеризуются увеличенным временем удержания данных на выходе. Фактически представляют собой обычную память FPM DRAM, на выходе которой установлены регистры - защелки данных. Регистры – это цифровые устройства, построенные на триггерах и позволяющие хранить сразу несколько битов информации (слово). При страничном обмене такие микросхемы удерживают на выходах микросхемы содержимое последней выбранной ячейки памяти, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки памяти. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FРM ускорить процесс считывания последовательно расположенных массивов данных.

SDRAM (S ynchronous DRAM - синхронная динамическая память) - память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной памяти. Основу этого типа памяти составляет традиционная схема DRAM. Однако SDRAM отличается тем, что использует тактовый генератор для синхронизации всех сигналов, применяемых в микросхеме памяти. Помимо синхронного метода доступа, SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать по времени выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке.

Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

В современных вычислительных устройствах, по типу исполнения различают два основных вида ОЗУ:

1. ОЗУ, собранное на триггерах, называемое статической памятью с произвольным доступом, или просто статической памятью - SRAM (Static RAM). Достоинство этой памяти - скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Также данная память не лишена недостатоков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи. Эти соображения заставили изобретателей изобрести более экономичную память, как по стоимости, так и по компактности.

2. В более экономичной памяти для хранения разряда (бита) используют схему, состоящую из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов), а во-вторых, компактности (на том месте, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов). Однако есть и свои минусы. Во-первых, память на основе конденсаторов работает медленнее, поскольку если в SRAM изменение напряжения на входе триггера сразу же приводит к изменению его состояния, то для того, чтобы установить в единицу бит на основе конденсатора, этот конденсатор нужно зарядить, а для того, чтобы бит установить в 0, соответственно, разрядить. А зарядка или разрядка конденсатора - гораздо более длительная операция, чем переключение триггера (в 10 и более раз), даже если конденсатор имеет весьма небольшие размеры. Есть и второй существенный минус - конденсаторы склонны к "стеканию" заряда, проще говоря, со временем конденсаторы разряжаются. Причем разряжаются они тем быстрее, чем меньше их емкость. В связи с этим обстоятельством, дабы не потерять содержимое битов, эти конденсаторы необходимо регенерировать через определённый интервал времени, чтобы восстанавливать заряд. Регенерация, выполняется путем считывания заряда (считывание заряда с конденсатора выполняется через транзистор). Контроллер памяти периодически приостанавливает все операции с памятью для регенерации ее содержимого. Эта операция - регенерация значительно снижает производительность ОЗУ. Память на конденсаторах получила название - динамическая память - DRAM (Dynamic RAM) за то, что разряды в ней хранятся не статически, а "стекают" динамически во времени.

Таким образом, DRAM значительно дешевле SRAM, ее плотность значительно выше, что позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше битов, но при этом ее быстродействие очень низкое. SRAM, наоборот, является очень быстрой памятью, но зато и очень дорогой. В связи с чем обычную оперативную память строят на модулях DRAM, а SRAM используется при создании, например кэшей микропроцессоров всех уровней.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок, или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера .

Пример структуры адресного пространства памяти на примере IBM PC

Основная область памяти

Upper Memory Area

Дополнительная область памяти

High Memory Area

См. также

Ссылки

Литература

• Скотт Мюллер. Глава 6. Оперативная память // Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs. - 17 изд. - М.: «Вильямс» , 2007. - С. 499-572. - ISBN 0-7897-3404-4

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Ячейка памяти ЭВМ" в других словарях:

Совокупность запоминающих элементов или участок запоминающей среды, предназнач. для хранения одного машинного слова (числа), имеющие индивидуальный адрес или канал для обращения. Обычно Я. п. составная часть накопит, блока запоминающего… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Совокупность элементов запоминающего устройства ЭВМ для хранения 1 машинного слова (числа) или его части (напр., 1 байта). Общее число ячеек памяти всех запоминающих устройств определяет емкость памяти ЭВМ … Большой Энциклопедический словарь

Совокупность элементов запоминающего устройства ЭВМ для хранения 1 машинного слова (числа) или его части (например, 1 байта). Общее число ячеек памяти всех запоминающих устройств определяет ёмкость памяти ЭВМ. * * * ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ,… … Энциклопедический словарь

ЭВМ, совокупность запоминающих элементов или участок запоминающей среды (напр., участок поверхности магнитной ленты, магнитного или оптического диска), предназначенные для хранения одного машинного слова или его части. Ячейка памяти –… … Энциклопедия техники

Совокупность элементов запоминающего устройства ЭВМ для хранения 1 машинного слова (числа) или его части (напр., 1 байта). Общее число Я. п. всех запоминающих устройств определяет ёмкость памяти ЭВМ … Естествознание. Энциклопедический словарь

Минимальный адресуемый элемент запоминающего устройства ЭВМ. Основные сведения Ячейки памяти могут иметь разную ёмкость (число разрядов, длину). Современные запоминающие устройства обычно имеют размер ячейки памяти равным одной из степеней двойки … Википедия

Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. (11 мая 2011) … Википедия

Троичный триггер электронное, механическое, пневматическое, гидравлическое или другое устройство, имеющее три устойчивых состояния, возможность переключения из любого одного из трёх устойчивых состояний в любое из двух других устойчивых состояний … Википедия

Ячейка: Ячейка сота Ячейка отсек Ячейка ящик Ячейка бокс, релейный шкаф Депозитарная ячейка сейф в банке, сдаваемый клиентам внаем Ячейка Бенара понятие в физике Ячейка памяти в информатике это часть… … Википедия

Ячейка (Значения): Ячейка сота Ячейка отсек Ячейка ящик Ячейка бокс, релейный шкаф Депозитарная ячейка сейф в банке, сдаваемый клиентам внаем Ячейка Бенара упорядоченные структуры в жидкости, классический пример самоорганизации в физике Ячейка… … Википедия