Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Основные принципы работы электронной памяти

Прежде чем говорить о конкретных типах современных микросхем памяти, надо немного вспомнить прошлое и разобраться в основных принципах работы электронной памяти и особенностях ее адресации.

Компьютеры, в отличие от людей, которые пользуются десятичной системой счисления, используют двоичную арифметику, т. е. в любом разряде машинного числа может находиться либо "О" – нет, либо "1" – да. Соответственно, и каждая ячейка электронной памяти компьютера должна запоминать одно из двух значений – 0 или 1. Самое простое запоминающее устройство – это набор тумблеров или реле, которые замыкают или размыкают электрическую цепь. Если вспомнить, то старинные вычислительные машины как раз использовали для оперативной памяти реле, а в качестве ПЗУ применялись обычные тумблеры (и это не удивительно, т. к. даже мини-ЭВМ 80-х годов прошлого века имели панель с набором тумблеров для ввода команд).

Развитие полупроводниковых технологий привело к тому, что для электронной памяти персонального компьютера в большинстве случаев используются кремниевые интегральные микросхемы. А минимальная ячейка памяти в микросхеме – это триггер, который в самом простейшем случае собирается на двух транзисторах. Но поскольку для управления триггером требуются цепи управления, то элементарная запоминающая ячейка современной статической памяти, которая применяется, в частности, для кэш-памяти, содержит иногда до десятка транзисторов. Для примера на рис. 3.5 показана схема ячейки памяти КМОП-микросхемы. В ней из шести КМОП-транзисторов только транзисторы V3 и V5 отвечают за хранение информации, а остальные используются по другому назначению.

Рис. 3.5. Запоминающая ячейка на КМОП-транзисторах

Так как в современном компьютере применяются микросхемы, содержащие сотни тысяч ячеек, то для упрощения управления запоминающие ячейки группируются в квадратные матрицы. Для обращения к конкретной ячейке памяти используется адрес, формируемый из номера строки и столбца (рис. 3.6). Как только на шинах столбцов и строк будет установлен правильный адрес нужной ячейки, на выходе матрицы появится напряжение, соответствующее информации, записанной в ячейку памяти. Заметим, что такой принцип адресации используется и для чтения или записи байта в оперативной памяти, но при этом за каждый разряд байта или слова отвечает своя запоминающая матрица, которая, чаще всего, находится в отдельной микросхеме.

Рис. 3.6. Матрица памяти

Для записи информации в конкретную ячейку микросхемы предназначен всего один вывод. Когда на шине адреса установится нужный адрес ячейки памяти, то, хотя сигнал записи будет подан на все ячейки, запись произойдет только в ту ячейку, которая будет в данный момент выбрана (адресована).

Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице хорошо иллюстрируется на примере ферритовой памяти (рис. 3.7). На заре компьютерной эры она представляла собой небольшие ферритовые колечки, находящиеся в узелках проволочной сетки. Чтобы сформировать сигнал чтения и записи, через все колечки продевался отдельный провод. Заметим, что для записи "1" и "О" использовалось свойство ферромагнетиков перемагничиваться под действием электрического тока. Самые маленькие ферритовые колечки были диаметром всего около 1 мм. С появлением полупроводниковых микросхем памяти о ферритовой памяти надолго забыли, но совсем недавно появились микросхемы FeRAM, в которых сочетается кремниевая технология производства микросхем и свойство ферромагнитных материалов изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного магнитного поля.

Рис. 3.7. Ферритовая память

Из гл. 2 вы знаете, что процессоры имеют шину данных, кратную 8 разрядам, например, 8, 16, 32 или 64. В старых персональных компьютерах электронная память собиралась из микросхем, имеющих, например 64, 128, 256 и т. д. ячеек. На системных платах персональных компьютеров IBM PC можно было увидеть ряды микросхем памяти, занимающих там слишком много места. Чтобы уменьшить количество микросхем и упростить их электрические соединения друг с другом, на одном кремниевом кристалле стали создавать несколько отдельных матриц запоминающих ячеек (рис. 3.8). Наиболее популярными оказались варианты, когда микросхема памяти имеет разрядность равную 4 и 8, что позволило уменьшить количество корпусов на плате.

Рис. 3.8. Организация микросхемы памяти с 4 разрядами

В документации и прайс-листах на микросхемы памяти всегда указывается не только общий ее объем, но и как организованы ячейки памяти. Ниже приводятся строчки из прайс-листа на микросхемы динамической памяти DDR и SDRAM, которые выпускаются в настоящее время:

• DDR 256Mb, 32Мх8, 266MHz;

• DDR 128Mb, 16Мх8, 266MHz;

• SDRAM 256Mb, 32Мх8, 133MHz;

• SDRAM 128Mb, 16Мх8, 133MHz.

Заметьте, что в начале идет условное обозначения типа микросхемы, а в конце указывается максимальная тактовая частота шины, на которой они могут работать. Объем памяти в микросхеме указывается в двух вариантах: 256Mb – общее количество ячеек памяти в микросхеме; 32Мх8 – это обозначение показывает, что на каждый разряд приходится по 32 Мбайт (также используется термин "глубина адресного пространства", от англ. address depth). Если умножить 32 Мбайт на 8, то получается 256 Мбайт.

Статическая память

Статическая память, или SRAM (Statistic RAM) является наиболее производительным типом памяти. Микросхемы SRAM применяются для кэширования оперативной памяти, в которой используются микросхемы динамической памяти, а также для кэширования данных в механических устройствах хранения информации, в блоках памяти видеоадаптеров и т. д. Фактически, микросхемы SRAM используются там, где необходимый объем памяти не очень велик, но высоки требования к быстродействию, а раз так, то оправдано использование дорогостоящих микросхем.

В персональных компьютерах с процессорами, у которых не было интегрированной на кристалле кэш-памяти второго уровня, всегда использовались микросхемы SRAM внешнего кэша. Для удешевления системных плат и возможности их модернизации производители системных плат с процессорами 486 и первых поколений Pentium устанавливали специальные кроватки (разъемы для микросхем с DIP-корпусом), в которые можно было устанавливать различные микросхемы SRAM, отличающиеся как по быстродействию и объему памяти, так и различной разрядностью. Для конфигурирования памяти на системной плате предусматривался набор джамперов. Для справки прямо на системной плате краской наносилась информация об установке джамперов, например, как показано в табл. 3.1 (в колонках JS1 и JS2 указаны номера контактов, которые надо замкнуть перемычками).

Таблица 3.1. Пример таблицы конфигурирования кэш-памяти на системной плате

Отметим, что изменением конфигурации кэш-памяти занимались только тогда, когда выходила из строя какая-либо микросхема кэш-памяти. В остальных случаях изменять положение джамперов не рекомендовалось.

В дальнейшем, по мере разработки более совершенных микросхем SRAM, они непосредственно припаивались на системную плату в количестве 1, 2 или 4 штук. На системных платах, которые выпускаются в настоящее время, микросхемы SRAM используются, в основном, только для кэширования ввода/вывода и других системных функций.

Микросхемы памяти выпускаются в самых разнообразных корпусах. Довольно длительное время наиболее популярными корпусами для статической памяти являлись DIP-корпуса (Dual In-line Package), у которых выводы расположены в два ряда по бокам корпуса. Количество выводов (ножек) у самых первых микросхем было 16, но в дальнейшем увеличилось до 32, для специальных случаев используются корпуса и с 8 ножками. Конструкция DIP-корпуса позволяла как припаивать микросхему на плату, так и вставлять ее кроватку (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Микросхемы кэш-памяти, установленные в кроватки

По мере развития компьютерных технологий стали применяться корпуса SOJ (Small Outline J-shared), которые было более удобно вставлять и вынимать из специального гнезда, и TSOP (Thin Small Outline Package), предназначенные для поверхностного монтажа (элементы припаиваются на текстолитовую печатную плату, в которой не надо сверлить отверстия под ножки микросхемы). Кроме вышеназванных, используется и множество других конструкций корпусов, каждый из которых обладает теми или иными достоинствами.

Для маркировки микросхем на верхней их стороне краской всегда наносятся несколько групп знаков, которые содержат информацию о производителе, типе микросхемы, а также о дате выпуска. Следует заметить, что хоть и существует ряд стандартов на маркировку микросхем, но все же каждая фирма применяет собственный стиль указания типа микросхемы, а в ряде случаев одновременно указывается и международное обозначение, и фирменное.

Примечание

На корпусе микросхем почти всегда присутствует группа из четырех цифр, обозначающая дату выпуска данной партии изделий. Первые две цифры в группе обозначают год, а две последние – порядковый номер недели. Например, надпись 9722 обозначает, что микросхема выпущена в 1997 г., когда шла 22 неделя года. Иногда используется другой принцип маркировки года выпуска, или он не указывается вообще. Заметим, что в ряде случаев дату выпуска можно принять за тип микросхемы.

Микросхемы памяти производят несколько десятков крупных фирм, использующих собственную маркировку. В табл. 3.2 приведена информация о наиболее известных фирмах, чья продукция часто встречается в компьютерах. Кроме названия фирмы и адреса ее сервера в Интернете, в каждой строчке указан код, которым они маркируют свои микросхемы.

Таблица 3.2. Производители микросхем памяти

В маркировке микросхем памяти почти всегда есть цифры, говорящие об объеме матрицы памяти и ее организации. Также почти всегда две последние цифры говорят о быстродействии микросхемы, выраженной в единицах или десятках наносекунд с отбрасыванием последнего нуля, например, вместо 60 не может быть указано 6. В табл. 3.3 приведены примеры маркировки микросхем, которые применялись в старых компьютерах.

Таблица 3.3. Примеры маркировки микросхем памяти

Микросхемы памяти, выпускаемые в настоящее время, имеют более сложную систему маркировки, в которой указывается значительно больше технических характеристик, чем ранее. Для примера, на рис. 3.10 приведена расшифровка маркировки микросхем SRAM корпорации IBM. Обратите внимание, что микросхемы памяти применяются не только в компьютерах с процессорами х86, но и в компьютерах фирмы Apple, и в других самых разнообразных устройствах, поэтому пятый элемент в маркировке дает информацию о назначении микросхемы.

Рис. 3.10. Расшифровка маркировки микросхем SRAM корпорации IBM

Динамическая память

Магистральный путь полупроводниковой технологии – это постоянное уменьшение размеров элементов на кремниевой пластине. Размеры первых транзисторов в микросхемах были около 10 мкм, сегодня те же транзисторы выполняются по 0,13 и 0,08 мкм технологии, что позволило уменьшить на два порядка требуемую площадь кристалла. Второй замечательный способ, позволяющий на одном и том же кристалле разместить большее количество запоминающих ячеек – уменьшить количество транзисторов, которые требуются для создания триггера. В идеале – оставив лишь один.

Сегодня оперативная память персонального компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти, в которых для каждой ячейки памяти используется один транзистор. Правда, транзистор применяется для управления, а запоминающим элементом служит конденсатор (рис. 3.11), который можно либо зарядить до величины логической "1", либо разрядить до логического "0". Микросхемы такого типа не только позволяют на ограниченной площади кристалла кремния создавать запоминающие матрицы огромной емкости, но и наиболее дешевы в производстве.

Рис. 3.11. Ячейка динамической памяти

В то же время, сокращение числа элементов в триггере до минимума кроме плюсов дает неприятный эффект – запоминающие конденсаторы очень быстро разряжаются, и уже через десяток миллисекунд отличить "1" от "0" невозможно. Но величина в миллисекунду – это для компьютера весьма большое время, в течение которого можно сделать очень многое. Поэтому инженеры придумали способ восстанавливать заряд конденсатора. Надо каждые 2 миллисекунды подключать конденсатор к шине питания. Если он хранит единицу, то конденсатор восстанавливает потерянное во время саморазряда напряжение логической единицы. Если конденсатор хранил "0", то подзарядки не будет. Такой способ восстановления информации называется регенерацией памяти.

Как вы понимаете, регенерировать каждую ячейку памяти отдельно не только хлопотно, но и для современных микросхем очень долго. Поэтому используют групповой метод регенерации, когда одновременно "лечится" целая строка или столбец запоминающей матрицы. В первых микросхемах на время регенерации никаких операций по записи или чтению информации не делалось. Но поскольку во время регенерации памяти процессор чаще всего вынужден простаивать, то более совершенные типы микросхем динамической памяти позволяют работать с теми ячейками, которые в данный момент времени не требуют восстановления заряда в конденсаторах.

Соответственно, для использования метода регенерации памяти требуется управляющий блок, который занимается исключительно восстановлением заряда в запоминающих конденсаторах. В первых компьютерах для этого служила специальная микросхема. Позднее блок регенерации встроили в одну из микросхем чипсета системной платы, а в наиболее совершенных микросхемах динамической памяти блок регенерации находится на том же кремниевом кристалле, что и запоминающая матрица. Для определения моментов регенерации используются импульсы от системного таймера компьютера. По традиции, это нулевой канал (системный таймер имеет три канала-счетчика, что досталось в наследство от IBM PC, где использовалась микросхема 8053).

Начиная с компьютеров IBM PC AT, которые собирались на процессорах 80286, в персональных компьютерах применяются сменные модули оперативной памяти. Их использование вполне оправданно, т. к. цена оперативной памяти в компьютерах всегда определяла, да и до сих определяет стоимость компьютера. Тем более, что пользователям постоянно не хватает существующего объема ОЗУ, и они регулярно его модернизируют, добавляя дополнительные модули, устанавливая более скоростную память.

Так как модули памяти появились в эпоху IBM PC AT, то они, как и процессоры, всегда были излюбленным объектом для модернизации, поэтому сегодня можно встретить самые разнообразные экземпляры, отличающиеся по размерам, типам микросхем, назначению и пр.

Конструктивно модули памяти – это текстолитовые прямоугольные платы, на которые припаяны микросхемы памяти. Количество микросхем может быть самое различное, например, 4, 8 или 9. В тех случаях, когда микросхемы устанавливаются с двух сторон модуля, их может быть 8, 16 или 18. Кроме того, на модулях памяти могут находиться и специальные микросхемы, служащие для опознавания типа модуля или для контроля достоверности данных.

Самые первые модули памяти назывались SIP-модулями и подключались к системной плате с процессором 80286 с помощью тонких штыревых контактов. В дальнейшем стали использоваться модули памяти, снабженные краевым разъемом, которые носят название SIMM-модуль (Single In-Line Memory Module). Модули памяти такого типа очень просто устанавливаются в специальные слоты на системной плате. Надежность электрического соединения обеспечивается особой конструкцией контактов модуля и слота. На контакты модуля памяти наносят несколько металлических слоев, верхний слой чаще всего луженый, но на него может наноситься и тонкий слой золота. Заостренные контакты слота как бы врезаются в контактные поверхности модуля памяти.

За прошедшие 20 лет было разработано просто огромное разнообразие типов модулей. Первые SIMM-модули имели 30 контактов и устанавливались на системные платы с процессорами 386 и 486. Объем памяти у них составлял от 256 Кбайт до 1–2 Мбайт. Так как разрядность таких модулей была всего 8 битов, то нужно было всегда устанавливать 2 или 4 модуля вместе.

Появление процессоров типа Pentium вызвало разработку нового типа SIMM-модуля, у которого разрядность составляла 32 бита, соответственно, количество контактов увеличилось до 72. На рис. 3.12 показан один из вариантов конструкции SIMM-модуля. Количество микросхем на нем 2, 4, 8 (для односторонних модулей), но иногда добавляется еще одна микросхема, которая служит для контроля четности (parity) в каждом байте. Модули с контролем четности пименяются только в промышленности.

Рис. 3.12. 72-контактный SIMM-модуль

Для 72-контактных SIMM-модулей на системных платах устанавливаются разъемы, в которые модуль сначала ложится с наклоном примерно в 30°, а потом выпрямляется до защелкивания (рис. 3.13). Чтобы вставить модуль нужной стороной, на нем предусмотрены специальные пазы и отверстия.

Рис. 3.13. Установка в разъем 72-контактного SIMM-модуля

Внимание!

72-контактные SIMM-модули всегда устанавливаются попарно.

Наиболее распространенные 72-контактные SIMM-модули имели объем памяти, равный 4, 8 и 16 Мбайт, совсем недавно появились модули объемом в 32 и 64 Мбайт, которые даже дешевле своих предшественников. Кроме того, следует отметить, что 72-контактные SIMM-модули для системных плат с процессором 486 обычно не подходят для системных плат с процессором Pentium и наоборот. Конечно, бывают исключения, но крайне редко, т. к. это связано с типом установленных на них микросхем. Отличить несовместимые типы SIMM-модулей по внешнему виду практически невозможно, разве что по маркировке на микросхемах памяти (чаще всего по последней букве, но это зависит от стандартов, принятых у изготовителя микросхем).

В 1997 г. появилось следующее поколение модулей памяти – 64-разрядные DIMM-модули (Dual In-line Memory Module), у которых насчитывалось 168 контактов, расположенных с двух сторон текстолитовой платы (по 84 контакта) (рис. 3.2). В отличие от SIMM-модулей, они вставляются в разъем (рис. 3.14) на системной плате вертикально и фиксируются боковыми защелками. DIMM-модули могут устанавливаться на системную плату в любом количестве от 1 до 4. На некоторых старых системных платах с процессором Pentium устанавливались вместе разъемы и для SIMM-, и для DIMM-модулей.

Рис. 3.14. Слоты для установки 168-контактных DIMM-модулей

Так как в последние годы стремительно совершенствовались не только процессоры, но и микросхемы памяти, практически для каждого нового процессора разрабатывался новый DIMM-модуль – более скоростной, с большим объемом памяти, с уменьшенным напряжением питания. Для идентификации типа модуля по объему памяти и типу используемых микросхем на нем устанавливается микросхема флэш-памяти с записанной в нее служебной информацией (SPD – Serial Presense Detect), доступ к которой происходит по интерфейсу I²С. Чтобы нельзя было установить неподходящий тип DIMM-модуля, в текстолитовой плате делается несколько прорезей (ключей). Для механической идентификации различных DIMM-модулей используется сдвиг положения двух ключей в текстолитовой плате модуля, расположенных среди контактных площадок (рис. 3.15). Правда, основное назначение этих ключей – не дать установить в разъем DIMM-модуль с неподходящим напряжением питания микросхем памяти. Кроме того, левый ключ определяет наличие или отсутствие буфера данных.

Рис. 3.15. Ключи 168-контактного DIMM-модуля

Так как частота процессоров перевалила границу 2 ГГц, а технология изготовления системных плат не позволяет в такой же мере повышать тактовую частоту системной шины, то дальнейшее совершенствование DIMM-модулей происходило не только за счет постепенного повышения тактовой частоты. Очень удачным оказался принцип чтения за один такт двух слов. Этот принцип реализован в новых микросхемах динамической памяти DDR SDRAM. Для модулей DDR SDRAM число контактов увеличено до 184 (рис. 3.16). На работу с такими модулями рассчитаны последние модификации процессоров Pentium 4 и Celeron, а также Athlon и Duron. Для идентификации напряжения питания модулей DDR SDRAM служат соответствующие ключи (рис. 3.17).

Рис. 3.16. 184-контактный модуль DDR SDRAM

Рис. 3.17. Ключи 184-контактного модуля DDR SDRAM

Примечание

В продаже имеются выпускаемые малоизвестными фирмами модули памяти с некондиционными микросхемами DDR SDRAM. На таких модулях, как правило, не указывается никакой маркировки. Использование этих модулей обычно приводит к неустойчивой работе компьютера. Для надежной работы компьютера используйте модули известных производителей, которые маркируют свои изделия этикеткой (слева), а иногда приклеивается и голограмма (справа), как видно на рис. 3.16.

Появление процессоров Pentium 4, работающих на частотах выше 1000 МГц, вызвало разработку 184– и 196-контактных RIMM-модулей. Основное достоинство таких модулей – это работа на частотах 400, 600 и 800 МГц (это удвоенные частоты магистрали Rambus, а сама шина данных работает на тактовой частоте 100 МГц), а основной недостаток – высокая цена. RIMM-модули (рис. 3.18 и 3.19) несовместимы с другими типами модулей памяти не только по величине тактовой частоты, но и по принципу доступа к данным.

Рис. 3.18. RIMM-модуль с металлическим экраном

Рис. 3.19. RIMM-модуль со снятым экраном

Заметим, что несмотря все явные достоинства RIMM-модулей, у них оказались и серьезные недостатки, например, некоторые системные платы не могли устойчиво работать более чем с двумя модулями. Поэтому в настоящее время параллельно развиваются как RIMM-, так и DIMM-модули, которые уже штурмуют тактовую частоту в 533 МГц (за один такт читается 4 слова, поэтому 533 МГц = 133 МГц х 4).

Чтобы как-то отличать новейшие модули от старых, а также из рекламных соображений, на модули памяти теперь наносят маркировку, в которой указывается пропускная способность канала модуль —процессор, например, Р1600, Р2100 или Р3200, которая рассчитывается как:

Эта формула как раз и показывает, что производительность системы процессор —память можно увеличить двумя способами – повысить тактовую частоту и увеличить разрядность шины данных.

При покупке или установке в компьютер новых модулей обязательно следует найти в документации на системную плату информацию о поддерживаемых чипсетом типах модулей, т. к. при ошибке возможно повреждение не только модуля памяти, но и системной платы.

Для ноутбуков, где наиболее важным параметром являются габаритные размеры, разработаны малогабаритные модули памяти, например, в настоящее время популярными являются 172-контактные Micro DIMM и Small Outline DIMM.