Факты | Иерархия компьютерной памяти

Виды компьютерной памяти

Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для приема, хранения и выдачи данных, используемых при вычислении в течение определенного времени.

Минимальной единицей информации является бит или кратные ему единицы: килобит (1 кб = 1024 бита), мегабит (1Мб = 1024кбит), гигабит (1Гб = 1024Мбит). Но чаще пользуются единицей байт (1 байт = 8 бит), или же кратными ему единицами: килобайт (1 КБ = 1024 байта), мегабайт (1МБ = 1024кБ), гигабайт (1ГБ = 1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты.

Компьютерную память можно классифицировать по типу доступа:

• последовательный доступ (магнитные ленты)
• произвольный доступ (оперативная память)
• прямой доступ (жесткие магнитные диски);
• ассоциативный;

по типу электропитания:

• энергонезависимая (оперативная и кэш-память)
• статическая (SRAM — Static Random Access Memory)
• динамическая (DRAM — Dynamic Random Access Memory)
• энергонезависимая (жесткие диски, компакт-диски, флэш-память)

• буферная;
• временная;
• кэш-память;
• корректирующая;
• управляющая;
• коллективная.

по типу носителя и способу записи информации:

• акустическая;
• голографическая;
• емкостная;
• криогенная;
• лазерная;
• магнитная;
• магнитооптическая;
• молекулярная;
• полупроводниковая;
• ферритовая;
• фазоинверсная;
• электростатическая.

Какой бывает компьютерная память и в каких устройствах она используется?

Все виды компьютерной памяти можно разделить на две большие категории. Энергозависимая и энергонезависимая память. Энергозависимая память теряет все данные при отключении системы. Это происходит потому, что такая память требует постоянной энергетической подпитки и, как только подача электричества прекращается, она перестает функционировать. Энергонезависимая память сохраняет данные вне зависимости от того, включен ваш компьютер или нет. К примеру, большинство типов оперативной памяти относятся к энергозависимой категории.

Наиболее известные представители энергонезависимой категории это ПЗУ (постоянная память) и флеш-память, получившая в последнее время немалое распространение. В частности, карты памяти CompactFlash и SmartMedia.

Прежде всего просто перечислим основные виды компьютерной памяти и только потом начнем их рассматривать:

• Оперативная память. Оперативное запоминающее устройство. ОЗУ, RAM
• Постоянная память. Постоянное запоминающее устройство. ПЗУ, ROM
• Кеш-память, Cache
• Динамическая оперативная память. Dynamic RAM, DRAM
• Статическая оперативная память. Static RAM, SRAM
• Флеш-память, Flash memory
• Память типа Memory Sticks в виде карт памяти для цифровых фотоаппаратов
• Виртуальная память, Virtual memory
• Видеопамять, Video memory
• Базовая система ввода-вывода, БСВВ, BIOS

Как мы уже писали, память применяется не только в компьютерах, но и в иных цифровых устройствах. Тех «компьютероподобных» устройствах, которые для удобства изложения материала мы будем считать компьютерами, не отвлекаясь на постоянные обсуждения различий между ними. В частности, планшеты многие аналитики относят к компьютерам. Речь идет в том числе и о:

• Сотовых телефонах
• Смартфонах
• Планшетах
• Игровых консолях
• Автомобильных радиоприемниках
• Цифровых медиаплеерах
• Телевизорах

Прежде, чем разбираться в том, как функционирует каждый вид памяти, поинтересуемся тем, как она вообще работает.

Скальпель. Зажим. Электронный микроскоп.

У нас нет всевозможных инструментов, которые инженеры-электронщики используют для изучения своих полупроводниковых творений, поэтому мы не можем просто разобрать чип DRAM и продемонстрировать вам его внутренности. Однако такое оборудование есть у ребят из TechInsights, которые сделали этот снимок поверхности чипа:

Если вы подумали, что это похоже на сельскохозяйственные поля, соединённые тропинками, то вы не так далеки от истины! Только вместо кукурузы или пшеницы поля DRAM в основном состоят из двух электронных компонентов:

• Переключателя, представленного MOSFET (МОП-транзистором)
• Накопителя, представляющего собой канавочный конденсатор.

Синими и зелёными линиями обозначены соединения, подающие напряжение на МОП-транзистор и конденсатор. Они используются для считывания и записи данных в ячейку, и первой всегда срабатывает вертикальная (разрядная) линия.

Канавочный конденсатор, по сути, используется в качестве сосуда для заполнения электрическим зарядом — его пустое/заполненное состояние даёт нам 1 бит данных: 0 — пустой, 1 — полный. Несмотря на предпринимаемые инженерами усилия, конденсаторы не способны хранить этот заряд вечно и со временем он утекает.

Это означает, что каждую ячейку памяти нужно постоянно обновлять по 15-30 раз в секунду, хотя сам этот процесс довольно быстр: для обновления набора ячеек требуется всего несколько наносекунд. К сожалению, в чипе DRAM множество ячеек, и во время их обновления считывание и запись в них невозможна.

К каждой линии подключено несколько ячеек:

Строго говоря, эта схема неидеальна, потому что для каждого столбца ячеек используется две разрядные линии — если бы мы изобразили всё, то схема бы стала слишком неразборчивой.

Полная строка ячеек памяти называется страницей, а длина её зависит от типа и конфигурации DRAM. Чем длиннее страница, тем больше в ней бит, но и тем большая электрическая мощность нужна для её работы; короткие страницы потребляют меньше мощности, но и содержат меньший объём данных.

Однако нужно учитывать и ещё один важный фактор. При считывании и записи на чип DRAM первым этапом процесса является активация всей страницы. Строка битов (состоящая из нулей и единиц) хранится в буфере строки, который по сути является набором усилителей считывания и защёлок, а не дополнительной памятью. Затем активируется соответствующий столбец для извлечения данных из этого буфера.

Если страница слишком мала, то чтобы успеть за запросами данных, строки нужно активировать чаще; и наоборот — большая страница предоставляет больше данных, поэтому активировать её можно реже. И даже несмотря на то, что длинная строка требует большей мощности и потенциально может быть менее стабильной, лучше стремиться к получению максимально длинных страниц.

Если собрать вместе набор страниц, то мы получим один банк памяти DRAM. Как и в случае страниц, размер и расположение строк и столбцов ячеек играют важную роль в количестве хранимых данных, скорости работы памяти, энергопотреблении и так далее.

Например, схема может состоять из 4 096 строк и 4 096 столбцов, при этом полный объём одного банка будет равен 16 777 216 битам или 2 мегабайтам. Но не у всех чипов DRAM банки имеют квадратную структуру, потому что длинные страницы лучше, чем короткие. Например, схема из 16 384 строк и 1 024 столбцов даст нам те же 2 мегабайта памяти, но каждая страница будет содержать в четыре раза больше памяти, чем в квадратной схеме.

Все страницы в банке соединены с системой адресации строк (то же относится и к столбцам) и они контролируются сигналами управления и адресами для каждой строки/столбца. Чем больше строк и столбцов в банке, тем больше битов должно использоваться в адресе.

Для банка размером 4 096 x 4 096 для каждой системы адресации требуется 12 бит, а для банка 16 384 x 1 024 потребуется 14 бит на адреса строк и 10 бит на адреса столбцов. Стоит заметить, что обе системы имеют суммарный размер 24 бита.

Если бы чип DRAM мог предоставлять доступ к одной странице за раз, то это было бы не особо удобно, поэтому в них упаковано несколько банков ячеек памяти. В зависимости от общего размера, чип может иметь 4, 8 или даже 16 банков — чаще всего используется 8 банков.

Все эти банки имеют общие шины команд, адресов и данных, что упрощает структуру системы памяти. Пока один банк занят работой с одной командой, другие банки могут продолжать выполнение своих операций.

Весь чип, содержащий все банки и шины, упакован в защитную оболочку и припаян к плате. Она содержит электропроводники, подающие питание для работы DRAM и сигналов команд, адресов и данных.

На фотографии выше показан чип DRAM (иногда называемый модулем), изготовленный компанией Samsung. Другими ведущими производителями являются Toshiba, Micron, SK Hynix и Nanya. Samsung — крупнейший производитель, он имеет приблизительно 40% мирового рынка памяти.

Каждый изготовитель DRAM использует собственную систему кодирования характеристик памяти; на фотографии показан чип на 1 гигабит, содержащий 8 банков по 128 мегабита, выстроенных в 16 384 строки и 8 192 столбца.

Внешняя память

Назначение внешней памяти компьютера заключается в долговременном хранении информации любого вида. Выключение питания компьютера не приводит к очистке внешней памяти. Объем этой памяти в тысячи раз больше объема внутренней памяти. Кроме того, в случае необходимости ее можно «нарастить» так же, как можно купить дополнительную книжную полку для хранения новых книг. Но обращение к внешней памяти требует гораздо большего времени. Как человек затрачивает на поиск информации в справочной литературе гораздо больше времени, чем на ее поиск в собственной памяти, так и скорость обращения (доступа) к внешней памяти существенно больше, чем к оперативной.

Необходимо различать понятия носителя информации и устройства внешней памяти.

Носитель — материальный объект, способный хранить информацию.

Устройство внешней памяти (накопитель)—физическое приспособление, позволяющее производить считывание и запись информации на соответствующий носитель.

Носителями информации во внешней памяти современных компьютеров являются магнитные или оптические диски, магнитные ленты и некоторые другие.

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа.

В устройствах прямого (произвольного) доступа время обращения к информации не зависит от места ее расположения на носителе. В устройствах последовательного доступа такая зависимость существует.

Рассмотрим знакомые всем примеры. Время доступа к песне на аудиокассете зависит от местоположения записи. Для ее прослушивания необходимо предварительно перемотать кассету до того места, где записана песня. Это пример последовательного доступа к информации. Время же доступа к песне на грампластинке не зависит от того, первая эта песня на диске или последняя. Чтобы прослушать любимое произведение, достаточно установить звукосниматель проигрывателя в определенное место на диске, где записана песня, или на музыкальном центре указать ее номер. Это пример прямого доступа к информации.

Дополнительно к введенным ранее общим характеристикам памяти для внешней памяти используют понятия плотности записи и скорости обмена информацией.

Плотность записи определяется объемом информации, записанным на единице длины дорожки. Единицей измерения плотности записи служат биты на миллиметр (бит/мм). Плотность записи зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, то есть числа дорожек на поверхности диска.

ПЛОТНОСТЬ записи — объем информации, записанной на единице длины дорожки.

Скорость обмена информации зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что, в свою очередь, определяется скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве. По способу записи и чтения устройства внешней памяти (накопители) подразделяются в зависимости от вида носителя на магнитные, оптические и электронные (флэш-память). Рассмотрим основные виды внешних носителей информации.

Телефон пишет, что не хватает места для новых фото. Пора менять?

Чаще всего достаточно поудалять старые видео, даже не фото. Одна фотография занимает не так много места, как минута видео, поэтому если нужно освободить память — удаляйте видео.

Если у вас Айфон, он автоматически заботится о том, чтобы чистить память: он в фоновом режиме отгружает ваши старые фото и видео в «облако». Когда они нужны, он их сам оттуда загрузит. Но «облако» тоже не резиновое, поэтому чистите память.

Типы микросхем динамических ОЗУ

Динамическая память состоит из ядра (массива ЗЭ) и интерфейсной логики (буферных регистров, усилителей чтения данных, схемы регенерации и др.), Хотя количество видов DRAM уже превысило два десятка, ядро у них организовано практически одинаково. Главные различия связаны с интерфейсной логикой, причем различия эти обусловлены также и областью применения микросхем — помимо основной памяти ЭВМ, микросхемы памяти входят, например, в состав видеоадаптеров. Классификация микросхем динамической памяти показана ниже (см. рисунок ниже).

Типы микросхем динамического ОЗУ

Теперь рассмотрим различные типы микросхем динамической памяти DRAM. На начальном этапе это были микросхемы асинхронной памяти, работа которых не привязана жестко к тактовым импульсам системной шины. Асинхронной памяти свойственны дополнительные затраты времени на взаимодействие микросхем памяти и контроллера. Так, в асинхронной схеме сигнал RAS будет сформирован только после поступления в контроллер тактирующего импульса и будет воспринят микросхемой памяти через некоторое время.

Микросхемы DRAM . В первых микросхемах динамической памяти применялся наиболее простой способ обмена данными. Он позволял считывать и записывать строку памяти только на каждый пятый такт (см. рисунок ниже «a»). Этапы такой процедуры были описаны ранее. Традиционной DRAM соответствует формула 5-5-5-5. Микросхемы данного типа могли работать на частотах до 40 МГц и из-за своей медлительности (время доступа составляло около 120 нс) просуществовали недолго.

Микросхемы FРМ DRAM . Микросхемы динамического ОЗУ, реализующие режим FPM (Fast Page Mode), также относятся к ранним типам DRAM. В основе лежит следующая идея. Доступ к ячейкам, лежащим в одной строке матрицы, можно проводить быстрее. Для доступа к очередной ячейке достаточно подавать на микросхему лишь адрес нового столбца, сопровождая его сигналом CAS. Полный же адрес (строки и столбца) передается только при первом обращении к строке. Сигнал RAS остается активным на протяжении всего страничного цикла и позволяет заносить в регистр адреса столбца новую информацию не по спадающему фронту CAS, а как только адрес на входе стабилизируется, то есть практически по переднему фронту сигнала CAS. Схема чтения для FPM DRAM (см. рисунок ниже «b») описывается формулой 5-3-3-3 (всего 14 тактов). Применение схемы быстрого страничного доступа позволило сократить время доступа до 60 нс.

Микросхемы EDO DRAM . Следующим этапом в развитии динамических ОЗУ стали микросхемы с гuперстраничным режимом доступа (НРМ, Нурег Page Mode), более известные как EDO (Extended Data Output — расширенное время удержания данных на выходе). Главная особенность технологии — увеличенное по cpaвнению с FPM DRAM время доступности данных на выходе микросхемы. В микросхемах FPM DRAM выходные данные остаются действительными только при активном сигнале CAS, за счет чего во втором и последующих доступах к строке нужно три такта: такт переключения CAS в активное состояние, такт считывания данных и такт переключения CAS в неактивное состояние. В EDO DRAM по активному (спадающему) фронту сигнала CAS данные запоминаются во внутреннем регистре, где хранятся еще некоторое время после того, как поступит следующий активный фронт сигнала. Это позволяет использовать хранимые данные, когда CAS уже переведен в неактивное состояние. Схема чтения у EDO DRAM уже 5-2- 2-2 (см. рисунок ниже «c»), что на 20% быстрее, чем у FPM. Время доступа составляет порядка 30-40 нс.

Временные диаграммы DRAM, FPM DRAM, EDO DRAM

Микросхемы BEDO DRAM . Технология EDO была усовершенствована компанией VIА Technologies. Новая модификация EDO известна как BEDO (Burst EDO — пакетная EDO). Новизна метода в том, что при первом обращении считывается вся строка микросхемы, в которую входят последовательные слова пакета. За последовательной пересылкой слов (переключением столбцов) автоматически следит внутренний счетчик микросхемы. Это исключает необходимость выдавать адреса для всех ячеек пакета, но требует поддержки со стороны внешней логики. Способ позволяет сократить время считывания второго и последующих слов еще на один такт (см. рисунок ниже), благодаря чему формула приобретает вид 5-1-1-1.

Микросхемы SDRAM . Аббревиатура SDRAM (Sуnchrоnous DRAM — Синхронная DRAM) используется для обозначения микросхем «обычных» синхронных динамических ОЗУ. Кардинальные отличия SDRAM от рассмотренных выше асинхронных динамических ОЗУ можно свести к четырем положениям:

•синхронный метод передачи данных на шину;

•применение нескольких (двух или четырех) внутренних банков памяти;

•конвейерный механизм пересылки пакета;

•передача части функций контроллера памяти логике самой микросхемы.

Синхронность памяти позволяет контроллеру памяти «знать» моменты готовности данных, за счет чего снижаются издержки циклов ожидания и поиска данных. Так как данные появляются на выходе микросхемы одновременно с тактовыми импульсами, упрощается взаимодействие памяти с другими устройствами ЭВМ.В отличие от ВЕDО конвейер позволяет передавать данные пакета по тактам, благодаря чему ОЗУ может работать бесперебойно на более высоких частотах, чем асинхронные ОЗУ.

Временные диаграммы BEDO DRAM, SDRAM

Микросхемы DDR SDRAM . Важным этапом в дальнейшем развитии технологии SDRAM стала DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM — SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных). В отличие от SDRAM, новая модификация выдает данные в пакетном режиме по обоим фронтам импульса синхронизации, из-за чего пропускная способность возрастает вдвое.

Микросхемы RDRAM, DRDRAM . Принципиально отличный подход к построению DRAM был предложен компанией Rambus в 1997 году. В нем используется оригинальная система обмена данными между ядром и контроллером памяти. В таблице (см. таблица ниже) приведены сравнительные характеристики перечисленных выше микросхем памяти. Ведутся работы по повышению быстродействия, в частности, связанные с применением КЭШ в микросхемах (CDRAM).

Сравнительные характеристики микросхем памяти

Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего — ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Развитие

Внутренняя память компьютера развивалась постепенно, проходя множество этапов. Говоря об ОП, можно выделить следующие её виды в порядке совершенствования:

1. SIMM — самый первый прообраз оперативной памяти персонального компьютера. Имел 30 контактов общей длиной в 89 миллиметров. В настоящий момент найти такую планку практически невозможно.
2. SIMM на 72 контакта являлась следующим шагом в развитии, но имела ещё большие размеры — примерно 103 миллиметра.
3. DIMM — оперативная память, которую застали обычные пользователи. Была популярна вплоть до 2001 года.
4. После всех предыдущих этапов наступила эра памяти формата DDR (184 контакта). Эта технология в корне меняет подход к проектированию. Вместо ускорения частоты обмена данными в ней увеличивается количество данных, передаваемых за один такт.
5. DDR2 — имеющая 204 контакта, она должна была увеличить скорость работы и взаимодействия с процессором в 2 раза по сравнению со своим предшественником.
6. DDR3 — очередной виток эволюции памяти, имеющей повышенные характеристики.
7. DDR4 — вышедшая во втором квартале 2014 года в массовые продажи оперативная память. Имеет 288 контактов и увеличенную в 2 раза пропускную способность.