link840 link841 link842 link843 link844 link845 link846 link847 link848 link849 link850 link851 link852 link853 link854 link855 link856 link857 link858 link859 link860 link861 link862 link863 link864 link865 link866 link867 link868 link869 link870 link871 link872 link873 link874 link875 link876 link877 link878 link879 link880 link881 link882 link883 link884 link885 link886 link887 link888 link889 link890 link891 link892 link893 link894 link895 link896 link897 link898 link899 link900 link901 link902 link903 link904 link905 link906 link907 link908 link909 link910 link911 link912 link913 link914 link915 link916 link917 link918 link919 link920 link921 link922 link923 link924 link925 link926 link927 link928 link929 link930 link931 link932 link933 link934 link935 link936 link937 link938 link939 link940 link941 link942 link943 link944 link945 link946 link947 link948 link949 link950 link951 link952 link953 link954 link955 link956 link957 link958 link959 link960 link961 link962 link963 link964 link965 link966 link967 link968 link969 link970 link971 link972 link973 link974 link975 link976 link977 link978 link979

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Оперативная память

Типы ОЗУ

Типы ОЗУ и производительность

В вопросах производительности памяти наблюдается некоторая путаница, поскольку обычно она измеряется в наносекундах, в то время как быстродействие процессоров — в мегагерцах и гигагерцах. В новых быстродействующих модулях памяти быстродействие измеряется в мегагерцах, что дополнительно усложняет ситуацию. К счастью, перевести одни единицы измерения в другие не составляет труда.

Наносекунда — это одна миллиардная доля секунды, т.е. очень короткий промежуток времени. В частности, скорость света в вакууме равна 299 792 км/с, т.е. за одну миллиардную долю секунды световой луч проходит расстояние, равное всего 29,98 см, т.е. меньше длины обычной линейки.

Быстродействие микросхем памяти и систем в целом выражается в мегагерцах (МГц), т.е. в миллионах тактов в секунду, или же в гигагерцах (ГГц), т.е. в миллиардах тактов в секунду. Современные процессоры имеют тактовую частоту от 2 до 4 ГГц, хотя гораздо большее влияние на их производительность оказывает их внутренняя архитектура (например, многоядерность). Ранее были приведены формулы, позволяющие преобразовывать единицы измерения быстродействия. В табл.

Как можно заметить, при увеличении тактовой частоты продолжительность цикла уменьшается.

В ходе эволюции компьютеров для повышения эффективности обращения к памяти создавались различные уровни кэширования, позволяющие перехватывать обращения процессора к более медленной основной памяти. Только недавно модули памяти DDR, DDR2 и DDR3 SDRAM сравняли свою производительность с шиной процессора. Когда частоты шин процессора и памяти равны, производительность памяти становится оптимальной для конкретной системы. Модули DRAM, использовавшиеся в первых версиях Pentium и Pentium II до 1198 года, работали на частоте всего 16,7 МГц. При этом сами процессоры работали с частотой до 300 МГц при частоте шины 66 МГц. Все это приводило к глобальным диспропорциям в производительности процессора и памяти. Однако начиная с 1998 года промышленность перешла к выпуску более быстродействующих модулей SDRAM, способных работать на частоте шины 66 МГц. С тех пор основное внимание уделялось выравниванию быстродействия памяти и процессора.

К 2000 году скорость шины процессора и памяти увеличилась до 100 и даже 133 МГц (эти модули назывались PC100 и PC133 соответственно). В начале 2001 года быстродействие памяти удвоилось и стало равным 200 и 266 МГц; в 2002 году выпускались модули памяти DDR со скоростью 333 МГц, а в 2003 году — 400 и 533 МГц. В 2005 и 2006 годах рост быстродействия памяти соответствовал росту скорости шины процессора — от 667 до 800 МГц. В 2007 году скорость памяти DDR2 была доведена до 1066 МГц, и одновременно с этим была выпущена память DDR3 с такой же и более высокой частотой. В таблице перечислены основные типы модулей памяти и их быстродействие.

Примечание к таблице!

EDO. Extended Data Out (расширенные возможности вывода данных).
DIMM. Dual Inline Memory Module (модуль памяти с двухрядным расположением выводов).
DDR. Double Data Rate (удвоенная скорость передачи данных).
FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).
SIMM. Single Inline Memory Module (модуль памяти с однорядным расположением выводов).
RIMM. Rambus Inline Memory Module (модуль памяти стандарта Rambus).

Память FPM

Чтобы сократить время ожидания, стандартная память DRAM разбивается на страницы. Обычно для доступа к данным в памяти необходимо выбрать строку и столбец адреса, на что затрачивается некоторое время. Разбиение на страницы обеспечивает более быстрый доступ ко всем данным в пределах некоторой строки памяти, т.е. если изменяется не номер строки, а только номер столбца. Такой режим доступа к данным в памяти называется быстрым постраничным режимом (Fast Page Mode), а сама память — памятью FPM. Другие варианты постраничного режима называются Static Column и Nibble Mode.

Схема повышения эффективности памяти довольно проста: память разбивается на страницы длиной от 512 байт до нескольких килобайтов. Электронная схема пролистывания позволяет при обращении к ячейкам памяти в пределах страницы сократить количество состояний ожидания. Если нужная ячейка памяти находится вне текущей страницы, то добавляется одно или больше состояний ожидания, так как система выбирает новую страницу.

Для повышения скорости доступа к памяти были разработаны и другие схемы. Одним из наиболее существенных изменений было внедрение пакетного режима доступа в процессоре 486 и более поздних. В большинстве случаев доступ к памяти является последовательным. Если же установить строку и столбец адреса в пакетном режиме, можно обращаться к следующим трем смежным адресам без дополнительных состояний ожидания. И в этом несомненное преимущество использования данного режима. Однако доступ в пакетном режиме обычно ограничивается четырьмя операциями. Чтобы объяснить это, обратимся к схеме синхронизации по количеству циклов для каждой операции доступа. Схема синхронизации типичного доступа в пакетном режиме для стандартной динамической оперативной памяти выглядит следующим образом: x-y-y-y, где x — время выполнения первой операции доступа (продолжительность цикла плюс время ожидания), а y — число циклов, необходимых для выполнения каждой последующей операции доступа.

Схема синхронизации в пакетном режиме для стандартной DRAM со временем доступа 60 нс обычно выглядит так: 5-3-3-3. Это означает, что первая операция доступа длится пять циклов на системной шине с частотой 66 МГц, что приблизительно равно 75 нс (5×15 нс; 15 нс — длительность одного цикла), в то время как последующие операции длятся по три цикла (3×15 нс = 45 нс). Без применения пакетной технологии схема синхронизации имела бы вид 5-5-5-5, так как для каждой операции выборки из памяти требовалось бы полное время ожидания. 45-наносекундный цикл при пакетной выборке и 64-разрядной шине данных обеспечивает пропускную способность 177 Мбайт/с (22,2 МГц×8 байт).

Память DRAM, поддерживающая разбиение на страницы и пакетный режим, называется памятью с быстрым постраничным режимом (Fast Page Memory — FPM). Этим подчеркивается, что для доступа к данным в памяти без смены страницы требуется меньше циклов ожидания. В большинстве компьютеров 386, 486 и Pentium, увидевших свет в 1987–1995 годах, используется память FPM, имеющая форму модулей с 30 или 72 контактами.

Другой метод ускорения FPM называется чередованием. Он совместно использует два отдельных банка памяти, распределяя между ними четные и нечетные байты. Когда происходит обращение к одному банку, в другом банке выбираются строка и столбец адреса. К моменту окончания выборки данных в первом банке во втором заканчиваются циклы ожидания, и он готов к выборке данных. Когда данные выбираются из второго банка, в первом идет процесс выборки строки и столбца адреса для следующей операции доступа. Это совмещение (перекрытие по времени) операций доступа в двух банках сокращает время ожидания и обеспечивает более быстрый поиск данных. Единственная проблема состоит в том, что для использования данного метода необходимо устанавливать идентичные пары модулей, а при этом удваивается количество микросхем SIMM или DIMM. Чередование широко использовалось в 32-разрядных запоминающих устройствах для процессора 486, но малоэффективно в случае 64-разрядной памяти в процессоре Pentium. Чтобы использовать чередование памяти в Pentium, необходимо установить 128разрядную память, т.е. четыре модуля SIMM с 72 контактами.

Память EDO

Начиная с 1995 года в компьютерах на основе Pentium используется новый тип оперативной памяти — EDO (Extended Data Out — память с расширенным выводом). Это усовершенствованный тип памяти FPM; его иногда называют Hyper Page Mode. Память типа EDO была разработана и запатентована компанией Micron Technology (позже лицензии приобрели многие другие изготовители).

Память EDO собирается из специально изготовленных микросхем, которые учитывают перекрытие синхронизации между очередными операциями доступа. Как следует из названия, драйверы вывода данных на микросхеме, в отличие от FPM, не выключаются, когда контроллер памяти удаляет столбец адреса в начале следующего цикла. Это позволяет совместить (по времени) следующий цикл с предыдущим, экономя приблизительно 10 нс в каждом цикле.

Таким образом, контроллер памяти EDO может начать выполнение новой команды выборки столбца адреса, пока данные считываются по текущему адресу. Это почти идентично использованию различных банков для чередования памяти, но в отличие от чередования не нужно одновременно устанавливать два идентичных модуля памяти в системе.

Для оперативной памяти EDO схема синхронизации в пакетном режиме имеет вид 5-2-2-2, а не 5-3-3-3, как для стандартной памяти FPM. Это означает, что четыре передачи данных из памяти EDO занимают 11 полных системных циклов (сравните с 14-ю полными циклами для FPM). Благодаря этому при проведении специальных тестов быстродействие увеличилось на 22%. При этом время выборки снижается с 45 нс (FPM) до 30 нс (EDO). В системах с 64-разрядной шиной данных (8 байт) пропускная способность увеличивается до 266 Мбайт/с (33,3 МГц×8 байт). Благодаря наличию кэш-памяти общая производительность системы повышается только на 5%. Хотя увеличение может показаться совсем небольшим, главное преимущество EDO состоит в том, что в запоминающих устройствах подобного типа используются те же микросхемы динамической оперативной памяти, что и в FPM. При этом стоимость таких запоминающих устройств равна стоимости FPM, но EDO обладает более высокой эффективностью, чем FPM.

Память EDO обычно выпускается в виде 72-контактных модулей SIMM.

Для того чтобы использовать память EDO, набор микросхем системной логики на системной плате должен поддерживать ее. Большинство наборов микросхем системной логики, выпущенных с 1995 года (Intel 430FX) по 1997 год (Intel 430TX), поддерживают этот тип памяти. Память EDO доминировала на рынке с 1995 по 1998 год. Поскольку микросхемы памяти EDO стоили столько же, сколько и стандартные микросхемы, Intel, а вслед за ней и остальные производители стали поддерживать EDO во всех наборах микросхем системной логики.

Оперативная память EDO идеальна для систем с быстродействием шины до 66 МГц. Такие шины использовались до 1997 года включительно; однако в течение 1998 года память EDO была заменена более новой и быстрой памятью SDRAM (Synchronous DRAM — синхронное динамическое ОЗУ). Эта новая архитектура стала новым стандартом оперативной памяти ПК.

Один из вариантов памяти EDO была так называемая пакетная память EDO (burst EDO или BEDO). Для ускорения передачи данных в ней была задействована пакетная обработка операций. К сожалению, эта технология была запатентована компанией Micron и так и не стала распространенным стандартом. Для поддержки был выпущен всего один набор микросхем системной логики — Intel 440FX Natoma. Стандарт BEDO был быстро вытеснен с рынка новым стандартом SDRAM, который больше пришелся по душе производителям наборов микросхем системной логики. Как таковой стандарт BEDO так и не нашел своего места в компьютерном мире; лично я никогда не слышал, чтобы он использовался в какой-либо системе.

Память SDRAM

Это тип динамической оперативной памяти (DRAM), работа которой синхронизируется с шиной памяти. SDRAM передает информацию в пакетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс. SDRAM позволяет избежать использования большинства циклов ожидания, необходимых при работе асинхронной DRAM, поскольку сигналы, по которым работает память такого типа, синхронизированы с тактовым генератором системной платы.

Как и любой другой тип оперативной памяти, SDRAM нуждается в поддержке набором микросхем системной логики. Начиная с наборов 430VX и 430TX, выпущенных в 1996 году, все наборы микросхем системной логики компании Intel полностью поддерживают SDRAM. С выходом в 1998 году популярного набора микросхем Intel 440BX модули SDRAM полностью вытеснили с рынка память EDO.

Эффективность SDRAM значительно выше по сравнению с эффективностью оперативной памяти FPM или EDO. Поскольку SDRAM — это тип динамической оперативной памяти, ее начальное время ожидания такое же, как у памяти FPM или EDO, но общее время цикла намного короче. Схема синхронизации пакетного доступа SDRAM выглядит так: 5-1-1-1, т.е. четыре операции чтения завершаются всего лишь за восемь циклов системной шины (сравните с 11 циклами для EDO и 14 для FPM). Таким образом, память SDRAM работает на 20% быстрее, чем EDO.

Кроме того, SDRAM может работать на частоте 133 МГц (7,5 нс) и выше, что стало новым стандартом для системного быстродействия начиная с 1998 года. Фактически все новые персональные компьютеры, проданные с 1998 по 2000 год, имеют память типа SDRAM.

Память SDRAM поставляется в виде модулей DIMM и, как правило, ее быстродействие оценивается в мегагерцах, а не в наносекундах. Физические характеристики модулей DIMM описываются далее. На рис. 6.5 будут показаны физические характеристики модулей DIMM.

Для четкой организации временных характеристик компания Intel создала ряд спецификаций, получивших названия PC66, PC100 и PC133. К примеру, можно подумать, что время доступа памяти PC100, работающей на частоте 100 МГц, составляет 10 нс, однако в соответствующей спецификации время доступа ограничено 8 нс, чтобы удовлетворить всем временным параметрам с некоторым запасом.

В мае 1999 года организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council — Объединенный совет по электронным устройствам) создала спецификацию PC133. Частота 133 МГц была достигнута путем улучшения характеристик синхронизации и емкости памяти стандарта PC100. Модули памяти PC133 быстро приобрели популярность, став идеальным выбором для системных плат с частотой шины процессора 133 МГц. Базовые модули памяти PC133 обладали быстродействием 7,5 нс и тактовой частотой 133 МГц, в то время как более новые отличались быстродействием 7 нс и частотой 143 МГц. Новые микросхемы памяти PC133 также характеризовались уменьшенным временем ожидания при выборке CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца), благодаря чему оптимизировалось время цикла памяти.

Примечание!

Организация JEDEC при EIA (Electronic Industries Alliance — Альянс отраслей электронной промышленности), который представляет все направления в электронной промышленности, создана в 1960 году и занимается стандартизацией всех типов полупроводниковых устройств, интегральных схем и модулей. В состав JEDEC входит около 300 компаний, включая производителей памяти, наборов микросхем и процессоров, а также практически все компании, занимающиеся сборкой компьютерных систем с использованием стандартизированных компонентов.

Основные принципы работы JEDEC просты. Предположим, что некоторая компания разработала собственный тип памяти. Если память подобного типа захотят выпускать другие компании, им придется платить лицензионные отчисления компании-разработчику (разумеется, при условии, что компания захочет лицензировать свои технологии). При этом некоторые технологии могут остаться закрытыми, что усложнит производство совместимых компонентов. Кроме того, компании, которые приобрели лицензию, не имеют возможности контролировать изменения, вносимые в технологию компаниейразработчиком.

В связи с этим JEDEC старается объединить усилия разработчиков памяти для выработки общих стандартов производства микросхем и модулей памяти. Стандарты, утвержденные JEDEC, затем свободно распространяются среди компаний-участниц. Поэтому ни одна компания не может единолично влиять на развитие определенного стандарта памяти и на другие компании. В качестве утвержденных JEDEC стандартов памяти, используемых в ПК, можно привести FPM, SDRAM, DDR, DDR2 и DDR3. При этом EDO и RDRAM являются примерами закрытых стандартов. Подробные сведения о стандартах JEDEC и другая информация о полупроводниковой промышленности приведена на сайте www.jedec.org.

 

Память SDRAM обычно выпускается в виде 168-контактных модулей, работающих на различных скоростях.

Следует отметить, что некоторые производители предлагают модули памяти PC150 и PC166, хотя соответствующих стандартов JEDEC и Intel не существует, а значит, не выпускаются процессоры и наборы микросхем, официально поддерживающие данные стандарты. Как правило, при производстве подобных модулей памяти используются отобранные вручную микросхемы памяти с длительностью цикла 7,5 нс (133 МГц) или 7,0 нс (143 МГц), способные работать на частоте 150 и 166 МГц. Поэтому под модулями PC150 или PC166 на самом деле следует понимать модули памяти PC133, которые способны работать на повышенных частотах. Предназначены подобные модули памяти для энтузиастов, которые хотят разогнать систему, увеличивая частоту системной шины, процессора и памяти.

Внимание!

В свое время модули памяти PC133 были обратно совместимы со стандартом PC100. Однако многие современные модули PC133 используют микросхемы другого объема по сравнению с тем, который использовался при производстве модулей PC100. При необходимости модернизировать систему, в которой используется память PC100, обязательно следует изучить вопросы совместимости, прежде чем приобретать модули PC133. Сведения о совместимости с различными системами можно найти на сайтах всех основных производителей модулей памяти.

Память DDR SDRAM

Память DDR (Double Data Rate — двойная скорость передачи данных) — это еще более усовершенствованный стандарт SDRAM, при использовании которого скорость передачи данных удваивается. Это достигается не за счет удвоения тактовой частоты, а за счет передачи данных дважды за один цикл: первый раз — в начале цикла, а второй — в его конце (рисунок ниже), при этом используются те же частоты и синхронизирующие сигналы.

Память DDR поступила на рынок в 2000 году и изначально использовалась в высокопроизводительных графических картах, так как на тот момент еще не существовало поддерживающих ее наборов микросхем системной логики. Свою популярность она завоевала в 2002 году, когда на рынок поступило множество материнских плат, поддерживающих этот стандарт памяти. Память DDR SDRAM выпускается в виде 184-контактных модулей.

Поставляемые модули DIMM памяти DDR SDRAM отличаются быстродействием, пропускной способностью и обычно работают при напряжении 2,5 В. Они представляют собой, в сущности, расширение стандарта SDRAM DIMM, предназначенное для поддержки удвоенной синхронизации, при которой передача данных, в отличие от стандарта SDRAM, происходит при каждом тактовом переходе, т.е. дважды за каждый цикл. Для того чтобы избежать путаницы, обычную память SDRAM часто называют памятью с одинарной скоростью передачи данных (Single Data Rate — SDR). Характеристики модулей памяти стандартов SDRAM и DDR SDRAM приведены в таблице.

Ведущие производители микросхем и модулей памяти, как правило, выпускают продукцию, удовлетворяющую стандартам JEDEC. В то же время для поддержания разгона некоторые производители модулей покупают немаркированные и непроверенные микросхемы памяти, после чего сами проводят тесты на предмет их реального быстродействия, и микросхемы со сходными характеристиками объединяют в модули с нестандартной маркировкой, обычно превосходящей по быстродействию официальные стандарты. В следующей таблице приведены характеристики популярных нестандартных модулей памяти, которые мне встречались на рынке. Однако следует учесть, что хотя быстродействие этих модулей памяти выше стандартного, чтобы получить от них полную отдачу, нужно разогнать всю систему.

Пропускная способность, приведенная в таблицах, указана в расчете на один модуль. Большинство наборов микросхем, поддерживающих DDR, поддерживают и двухканальные операции. Это технология, по которой два идентичных модуля DIMM функционируют, как единый банк, удваивая пропускную способность одного модуля. К примеру, если набор микросхем поддерживает модули PC3200, пропускная способность одного такого модуля составит 3200 Мбайт/с. При этом в двухканальном режиме эта пропускная способность удвоится и составит 6400 Мбайт/с. Двухканальные операции оптимизируют архитектуру ПК, обеспечивая одинаковое быстродействие процессора и памяти (имеется в виду не частота, а пропускная способность). Таким образом, данные перемещаются между шинами без каких-либо задержек.