Оперативная память

Оперативная память

Оперативная память (введение)

В этой главе память рассматривается как в логическом, так и в физическом аспектах. Здесь описываются микросхемы и модули памяти, которые можно установить в компьютере, и приводятся их характеристики.

Кроме того, рассматривается логическая структура памяти, определяющая различные области с точки зрения их использования системой. Поскольку логическая компоновка памяти происходит внутри процессора, вопросы ее отображения на физическую структуру довольно сложны для понимания. В этой главе вы найдете достоверную информацию, которая развеет все мифы, ассоциированные с памятью, и позволит эффективнее использовать компьютер. Оперативная память — это рабочее пространство процессора компьютера. В нем во время работы хранятся программы и данные, которыми оперирует процессор. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением питания или нажатием кнопки сброса все данные, изменявшиеся во время работы, необходимо сохранить на устройстве долгосрочного хранения (обычно это жесткий диск). При очередном включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

Оперативную память иногда называют памятью с произвольным доступом (Random Access Memory — RAM). Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Однако этот термин вносит некоторую путаницу и является причиной заблуждений. Дело в том, что память, доступная только для чтения (Read#Only Memory — ROM), также имеет произвольный доступ, но отличается от RAM тем, что ее содержимое не пропадает при выключении питания и в нее ничего нельзя записать. Несмотря на то что жесткие диски также могут использоваться в качестве виртуальной памяти с произвольным доступом, их не относят к категории RAM.

За несколько лет определение RAM превратилось из обычной аббревиатуры в термин, означающий основное рабочее пространство памяти, создаваемое микросхемами динамической оперативной памяти (Dynamic RAM — DRAM) и используемое процессором для выполнения программ. Одним из свойств микросхем DRAM (и, следовательно, оперативной памяти в целом) является динамическое хранение данных, что означает, во#первых, возможность многократной записи информации в оперативную память и, во#вторых, необходимость постоянного обновления данных (т.е., в сущности, их перезапись) примерно каждые 15 мс (миллисекунд). Существует и так называемая статическая оперативная память (Static RAM — SRAM), не требующая постоянного обновления данных. Следует заметить, что в любом случае данные сохраняются в оперативной памяти только до выключения питания.

Примечание!

В памяти DRAM и SRAM данные сохраняются только до тех пор, пока подается напряжение. Однако в случае флэш-памяти это не так. Именно поэтому флэш-память нашла широкое применение в цифровых фотоаппаратах, USB-брелоках и других подобных устройствах. В ПК устройство на основе флэш-памяти распознается как дисковый накопитель (а не ОЗУ), доступ к которому осуществляется стандартным образом - по букве диска, как при работе с любым жестким диском или оптическим накопителем.

Под компьютерной памятью обычно подразумевается ОЗУ (RAM), т.е. физическая память системы, которая состоит из микросхем или модулей памяти, используемых процессором для хранения основных, запущенных в текущий момент, программ и данных. При этом термин хранилище данных относится не к оперативной памяти, а к таким устройствам, как жесткие диски и накопители на магнитной ленте (которые, тем не менее, можно использовать как разновидность RAM, получившую название виртуальная память).

Термин оперативная память часто означает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение — это способ представления адресов памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение — это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы.

Новички часто путают оперативную память с памятью на диске, поскольку емкость устройств памяти обоих типов выражается в одинаковых единицах — мега# или гигабайтах. Попытаемся объяснить связь между оперативной памятью и памятью на диске с помощью следующей простой аналогии.

Представьте себе небольшой офис, в котором некий сотрудник обрабатывает информацию, хранящуюся в картотеке. В нашем примере шкаф с картотекой будет выполнять роль жесткого диска системы, на котором длительное время хранятся программы и данные. Рабочий стол будет представлять оперативную память системы, которую в текущий момент обрабатывает сотрудник, — его действия подобны работе процессора. Он имеет прямой доступ к любым документам, находящимся на столе. Однако, прежде чем конкретный документ окажется на столе, его необходимо отыскать в шкафу. Чем больше в офисе шкафов, тем больше документов можно в них хранить. Если рабочий стол достаточно большой, можно одновременно работать с несколькими документами.

Добавление к системе жесткого диска подобно установке еще одного шкафа для хранения документов в офисе — компьютер может постоянно хранить большее количество информации. Увеличение объема оперативной памяти в системе подобно установке большего рабочего стола — компьютер может работать с большим количеством программ и данных одновременно. Впрочем, есть одно различие между хранением документов в офисе и файлов в компьютере: когда файл загружен в оперативную память, его копия все еще хранится на жестком диске. Обратите внимание, что, поскольку постоянно хранить файлы в оперативной памяти невозможно, все измененные после загрузки в память файлы должны быть вновь сохранены на жестком диске перед выключением компьютера. Если измененный файл не будет сохранен, то его первоначальная копия на жестком диске останется неизменной.

Во время выполнения программы в оперативной памяти хранятся ее данные. Микросхемы оперативной памяти (RAM) иногда называют энергозависимой памятью: после выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, если они предварительно не были сохранены на диске или другом устройстве внешней памяти. Чтобы избежать этого, некоторые приложения автоматически создают резервные копии данных.

Файлы компьютерной программы при ее запуске загружаются в оперативную память, в которой хранятся во время работы с указанной программой. Процессор выполняет программно реализованные команды, содержащиеся в памяти, и сохраняет их результаты. В оперативной памяти хранятся коды нажатых клавиш при работе с текстовым редактором, а также результаты математических операций. При выполнении команды Сохранить содержимое оперативной памяти сохраняется в виде файла на жестком диске.

Физически оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к системной плате. Эти микросхемы или модули могут иметь различные характеристики и, чтобы функционировать правильно, должны быть совместимы с системой, в которую устанавливаются.

Сумма, необходимая для приобретения модулей памяти для ПК, в значительной мере зависит от категории модулей памяти. Стандартные модули DDR и DDR2 DRAM объемом от 256 Мбайт до 1 Гбайт вряд ли окажутся самым дорогостоящим компонентом в вашем компьютере, так как стоимость модуля объемом 1 Гбайт уже опустилась ниже 50 долларов США. Однако стоимость модулей для производительных (а зачастую и разогнанных) систем значительно выше.

До обвального падения цен на память в середине 1996 года в течение многих лет цена одного мегабайта памяти держалась приблизительно на уровне 40 долларов; 16 Мбайт (в то время это была типичная конфигурация) стоили более 600 долларов. Фактически до середины 1996 года память была невероятно дорогой: ее цена превышала цену слитка золота, который весил столько же, сколько и модуль памяти. Высокие цены привлекли внимание преступников, и несколько складов крупных производителей модулей памяти подверглись вооруженным нападениям. Цена модулей была значительной, спрос — ничуть не меньше, поэтому украденные микросхемы было практически невозможно найти. После нескольких нападений складам производителей модулей памяти пришлось нанимать вооруженную охрану, а также прибегать к другим мерам безопасности.

К концу 1996 года цена одного мегабайта памяти снизилась приблизительно до 4 долларов, а в 1997 году опустилась до самой низкой за всю ее историю отметки — 50 центов за 1 Мбайт. Все было неплохо до 1998 года, когда цены на модули памяти подскочили в четыре раза. Основным виновником этого была компания Intel, навязавшая компьютерной индустрии память стандарта Rambus DRAM (RDRAM) и не сумевшая вовремя предоставить соответствующие наборы микросхем системной логики. Производители были вынуждены перейти на изготовление типов памяти, для которых не существовало готовых системных плат и наборов микросхем, что привело к недостаче популярной памяти SDRAM. Землетрясение на Тайване еще больше усугубило ситуацию и привело к дальнейшему росту цен.

Со временем все вернулось на круги своя, и стоимость памяти достигла отметки 6 центов за мегабайт и меньше. 2001 год стал для полупроводниковой промышленности годом катастроф, что выразилось в заметном снижении объема продаж по сравнению с товарооборотом последних лет. Происшедшие события вынудили производителей максимально снизить цены на память и даже привели к объединению или перепрофилированию некоторых компаний.

Хотя память значительно подешевела, модернизировать ее приходится намного чаще, чем несколько лет назад. В настоящее время новые типы памяти разрабатываются гораздо быстрее, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет установить память устаревшего типа, как никогда велика. Поэтому при замене системной платы зачастую приходится заменять и память.

В связи с этим при выборе типа устанавливаемой памяти следует все хорошо обдумать и просчитать, чтобы минимизировать затраты на будущую модернизацию (или ремонт) компьютера.

В современных компьютерах используются запоминающие устройства трех основных типов.

  • ROM. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), не способное записывать дан#ные.
  • DRAM. Динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки.
  • SRAM. Статическая оперативная память.

Единственным типом памяти, которую приходится приобретать и устанавливать в компьютере, является динамическая (DRAM). Остальные ее типы встроены либо в материнскую плату (ROM), либо в процессор (SRAM), либо в другие компоненты, такие как видеокарты, жесткие диски и т.п.



Sitelinkx by eXtro-media.de

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).

Модули памяти

Процессор и архитектура системной платы (набора микросхем) определяют емкость физической памяти компьютера, а также типы и форму используемых модулей памяти. За последние годы скорость передачи данных и быстродействие памяти значительно выросли. Скорость и разрядность памяти определяются процессором и схемой контроллера памяти. В современных компьютерах контроллер памяти включен в набор микросхем системной логики материнской платы. В том случае, если система физически может поддерживать определенный объем памяти, типом программного обеспечения будут обусловлены более конкретные ее характеристики.

В процессорах 8086 и 8088 с 20 линиями адреса объем памяти не превышает 1 Мбайт (1024 Кбайт). Процессоры 286 и 386SX имеют 24 линии адреса и могут адресовать до 16 Мбайт памяти. Процессоры 386DX, 486, Pentium, Pentium MMX и Pentium Pro имеют 32 линии адреса и могут взаимодействовать с памятью объемом до 4 Гбайт. Процессоры Pentium II/III/4, а также AMD Athlon и Duron имеют 36 линий адреса и в состоянии обрабатывать 64 Гбайт. Новый процессор Itanium, с другой стороны, имеет 44-разрядную адресацию, что позволяет обрабатывать до 16 Тбайт (терабайт) физической памяти!

Режим эмуляции процессора 8088 микропроцессорами 286 и выше называется реальным режимом работы системы. Это единственно возможный режим процессоров 8088 и 8086 в компьютерах PC и XT. В реальном режиме все процессоры, даже всемогущий Pentium, могут адресовать только 1 Мбайт памяти, при этом 384 Кбайт зарезервировано для системных нужд. Возможности адресации памяти процессоров 286 и последующих в полном объеме могут быть реализованы только в защищенном режиме.

Системы класса P5 могут адресовать до 4 Гбайт памяти, системы класса P6/P7 — до 64 Гбайт. Если внедрить поддержку 64 Гбайт (65 536 Мбайт) памяти в современную систему, то ее стоимость достигнет примерно 10 тыс. долларов. Более того, объем наибольших модулей памяти DIMM, существующих сегодня, равен 1 Гбайт. Поэтому для установки 64 Гбайт оперативной памяти потребуется системная плата, содержащая 64 разъема DIMM. Следует заметить, что в большинстве систем поддерживается только до четырех разъемов DIMM.

Хотя объемы памяти постоянно увеличиваются, и современные модели системных плат поддерживают модули объемом до 2 Гбайт, основные ограничения накладываются набором микросхем и количеством разъемов для установки модулей памяти на системной плате.

Большинство современных системных плат оснащены двумя-четырьмя разъемами, а значит, максимальный объем памяти ограничен величиной 4–8 Гбайт. Подобные ограничения накладываются набором микросхем, а не процессором или модулями памяти. Некоторые процессоры способны адресовать до 64 Гбайт памяти, однако ни один набор микросхем на рынке не предоставляет им такой возможности.

 



Sitelinkx by eXtro-media.de

Банки памяти

Расположенные на системной плате и модулях памяти микросхемы (DIP, SIMM, SIPP и DIMM) организуются в банки памяти. Иметь представление о распределении памяти между банками и их расположении на плате необходимо, например, в том случае, если вы собираетесь установить в компьютер дополнительную микросхему памяти.

Кроме того, диагностические программы выводят адреса байта и бита дефектной ячейки, по которым можно определить неисправный банк памяти.

Обычно разрядность банков равна разрядности шины данных процессора. Эти параметры для различных типов компьютеров приведены в таблице.

 

Разрядность банков данных в различных системах

Примечание!

При двухканальном режиме необходимо устанавливать в разъемы однотипные пары модулей памяти. Если использован один модуль или два модуля различной емкости, а также если модули вставлены не в двухканальный разъем, система работает с памятью в одноканальном режиме.

Количество битов для каждого банка может быть сформировано одной микросхемой, модулем SIMM или модулем DIMM. В современных системах отдельные микросхемы не используются — только модули SIMM и DIMM. Если система оснащена 16-разрядным процессором, таким как 386SX, в ней, скорее всего, используются 30-контактные модули SIMM, пара которых образует один банк. Модули SIMM, образующие один банк, должны быть одного объема и типа.

В системах на базе процессора 486 для образования одного банка используется четыре 30-контактных или один 72-контактный модуль SIMM. Один 72-контактный модуль SIMM содержит 32 бит (или же 36 бит для модуля с проверкой четности). Чтобы определить, поддерживает ли модуль проверку четности, достаточно подсчитать количество микросхем. Для образования одного 32-разрядного модуля SIMM требуется 32 однобитовые или же 8 четырехбитовых микросхем. Если система поддерживает проверку четности, дополнительно потребуется 4 бит (т.е. всего 36 бит), а значит, еще одна четырехбитовая или четыре однобитовых микросхемы.

Таким образом, 30-контатные модули SIMM оказываются далеко не самым идеальным выбором для 3- или 64-разрядных систем (оснащенных процессором 486 или Pentium), так как для формирования одного банка потребуется четыре или даже восемь модулей. Следовательно, только в ограниченном количестве 32-разрядных систем используются 30-контактные модули SIMM; в 64-разрядных системах подобные модули вообще никогда не использовались. Если в 32-разрядной системе (оснащенной процессором 386DX или 486) используются 72-контактные модули SIMM, каждый такой модуль представляет отдельный банк, а значит, модули можно устанавливать или вынимать по одному, а не сразу по четыре, как во времена 30-контактных модулей. Благодаря этому конфигурирование памяти значительно упростилось. В 64-разрядных системах, в которых используются модули SIMM, для формирования одного банка необходима пара 72-контактных модулей SIMM.

Модули DIMM идеально подходят для систем с процессорами Pentium и более современными, поскольку 64-разрядная шина модулей полностью совпадает с шириной шины Pentium. Таким образом, каждый модуль DIMM представляет собой отдельный банк, а значит, подобные модули можно устанавливать и вынимать по одному. Многие современные системы проектируются таким образом, чтобы в них модули памяти использовались парами для обеспечения более высокого быстродействия. В данном случае речь идет о двухканальном режиме работы, при использовании которого пара модулей трактуется как одно устройство с шиной 128 бит (144 бит в случае модулей с поддержкой четности/ECC). В этом случае можно использовать и один модуль памяти, однако это не позволит обеспечить максимальное быстродействие системы.

Физическое расположение и нумерация разъемов SIMM и DIMM в значительной мере зависят от решения разработчиков системной платы, так что в данном случае под рукой лучше иметь руководство пользователя. Естественно, можно определить параметры материнской платы или адаптера с помощью тестирования, но это может отнять много времени и связано с риском возникновения проблем системного характера.

Внимание!

Если компьютерная система поддерживает двухканальную память, обязательно устанавливайте модули в соответствующие разъемы на системной плате. Информация о том, какие разъемы необходимо использовать для обеспечения двухканального режима работы памяти, наверняка представлена в руководстве пользователя. Большинство системных плат, поддерживающих двухканальный режим работы памяти, допускают установку модулей без активизации двухканального режима, однако в данном случае быстродействие системы значительно снижается. Некоторые системы допускают двухканальный режим даже при использовании нечетного количества модулей, однако при условии, что суммарный объем модулей в каждом канале, а также их характеристики, совпадают. В любом случае лучше подробно изучить документацию.

Память типа ROM

В памяти типа ROM (Read Only Memory), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), данные можно только хранить; изменять их нельзя. Именно поэтому данная память используется только для чтения данных. ROM также часто называют энергонезависимой памятью, потому что любые записанные в нее данные сохраняются при выключении питания. Поэтому в ROM помещаются команды запуска ПК, т.е. программное обеспечение, которое загружает систему.

Заметьте, что ROM и оперативная память — не противоположные понятия, как думают многие. На самом деле ROM представляет собой часть оперативной памяти системы. Другими словами, часть адресного пространства оперативной памяти отводится для отображения ROM. Это необходимо для ускорения загрузки системы после включения питания.

Основной код BIOS содержится в микросхеме ROM на системной плате, но на платах адаптеров также имеются аналогичные микросхемы. Они содержат вспомогательные подпрограммы BIOS и драйверы, необходимые для конкретной платы, особенно для тех плат, которые должны быть активизированы на раннем этапе начальной загрузки (в частности, это касается видеоадаптера). Платы, не нуждающиеся в драйверах на раннем этапе начальной загрузки, обычно не имеют ROM, поскольку их драйверы могут быть загружены с жесткого диска позже — в процессе начальной загрузки.

В настоящее время в большинстве систем используется одна из форм флэш-памяти, которая называется электрически стираемой программируемой постоянной памятью (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory — EEPROM). Флэш-память действительно является энергонезависимой и перезаписываемой и позволяет пользователям легко модифицировать ROM, программно-аппаратные средства системных плат и других компонентов (таких, как видеоадаптеры, платы SCSI, периферийные устройства и т.п.).



Sitelinkx by eXtro-media.de

Подкатегории

Яндекс.Метрика