Typy pamięci RAM

  25 lipiec 2010
Oceń ten artykuł
(0 głosów)

Pojęcia szybkości i wydajności pamięci dla niektórych są niejasne, ponieważ szybkość pamięci zazwyczaj jest wyrażana w nanosekundach (ns), natomiast szybkość procesora zawsze była określana przy użyciu megaherców (MHz). Jednak od niedawna, w przypadku niektórych nowszych i szybszych typów pamięci, ich szybkość jest wyrażana w MHz, co dodatkowo wprowadza zamieszanie. Na szczęście możliwe jest wzajemne przeliczanie obu jednostek.

Nanosekunda jest definiowana jako miliardowa część sekundy, czyli naprawdę krótki odcinek czasu. Dla lepszego wyobrażenia można wspomnieć, że prędkość światła w próżni ma wartość 299 792 kilometrów na sekundę. W ciągu jednej miliardowej sekundy promień światła przemierza odcinek o długości zaledwie 29,98 cm, czyli krótszy od długości typowej linijki!

Szybkość procesora i systemu jest wyrażana w megahercach (MHz), które odpowiadają milionom cykli na sekundę. Niektóre aktualnie stosowane komputery dysponują procesorami taktowanymi zegarem o częstotliwości przekraczającej 3000 MHz (3 GHz lub 3 miliardy cykli na sekundę), natomiast pod koniec roku powinny się pojawić procesory pracujące z szybkością 4 GHz.

Zagadnienia związane z taktowaniem pamięci operacyjnej nie sprowadzają się tylko do konwersji nanosekund na megaherce i są trochę bardziej złożone. Najbardziej efektywny sposób organizacji tranzystorów pamięci przechowujących jej poszczególne bity pozwalający na dostęp do nich jest oparty na siatce wykorzystującej układ wierszy i kolumn. Wszystkie operacje dostępu do pamięci polegają na określeniu adresu wiersza, a następnie adresu kolumny i pobraniu danych. Początkowe przygotowanie operacji dostępu do danych pamięci, w której określa się adres wiersza i kolumny, jest wymaganym etapem określanym mianem opóźnienia (ang. latency). Czas dostępu do pamięci jest sumą czasu cyklu i opóźnienia związanego z wybraniem adresów wierszy i kolumn. Przykładowo, pamięć SDRAM taktowana zegarem 133 MHz (7,5 ns) zazwyczaj na przygotowanie i zakończenie pierwszej operacji pobrania danych potrzebuje pięciu cykli (5 x 7,5 ns = 37,5 ns), po czym przeprowadza jeszcze trzy dodatkowe operacje odbywające się bez etapu początkowego. Wynika z tego, że w celu wykonania czterech operacji odczytu danych wymagane jest wykonanie ośmiu cykli lub średnio dwóch cykli na operację.

Dostęp do standardowej pamięci DRAM odbywa się przy wykorzystaniu techniki określanej mianem stronicowania (ang. paging). Typowa operacja dostępu do pamięci wymaga określenia adresu wiersza i kolumny, a to zajmuje czas. Dzięki zastosowaniu stronicowania uzyskuje się szybszy dostęp do wszystkich danych zawartych w określonym wierszu pamięci. Jest to możliwe poprzez utrzymywanie jednakowego adresu wiersza i zmianę adresu kolumn. Pamięć wykorzystująca stronicowanie określana jest jako pamięć PM (ang. Page Mode) lub FPM (ang. Fast Page Mode). Istnieją również inne odmiany pamięci PM SC (ang. Static Column) lub NM (ang. Nibble Mode). Stronicowanie jest prostą metodą zwiększenia wydajności pamięci. Polega na podzieleniu pamięci na strony o rozmiarze od 512 bajtów do kilku kilobajtów. Dzięki zastosowaniu mechanizmu stronicowania dostęp do komórek strony pamięci realizowany jest przy mniejszej ilości cykli oczekiwania. Jeśli żądana komórka pamięci znajduje się poza aktualną stroną, wtedy w celu umożliwienia systemowi wybrania nowej strony konieczne jest dodanie jednego lub kilku stanów oczekiwania.

Typowa pamięć DRAM o czasie dostępu 60 ns zazwyczaj w trybie seryjnym jest taktowana zgodnie ze schematem 5-3-3-3. Oznacza to, że pierwsza operacja dostępu wymaga pięciu cykli (w przypadku magistrali systemowej taktowanej zegarem 66 MHz daje to około 75 ns lub inaczej 5 x 15 ns), natomiast każda następna już tylko trzech (3 x 15 ns = 45 ns). Jak można wywnioskować, rzeczywiste wartości taktowania są mniejsze od technicznych możliwości pamięci. Bez zastosowania trybu seryjnego dostęp do pamięci odbywałby się zgodnie ze schematem 5-5-5-5, który wynika z konieczności użycia pełnego opóźnienia wymaganego przy każdej operacji odczytu lub zapisu danych.

Pamięć DRAM obsługująca stronicowanie i tryb seryjny określana jest mianem pamięci FPM (ang. Fast Page Mode). Nazwa ta pochodzi od możliwości dostępu do danych pamięci znajdujących się na tej samej stronie, który odbywa się przy mniejszym opóźnieniu. Pamięć FPM stosowano w większości systemów wyposażonych w procesor 486 i Pentium produkowanych do roku 1995.

Kolejną metodą przyspieszającą pamięć FPM jest przeplatanie (ang. interleaving). Zasada jej działania opiera się na dwóch oddzielnych bankach pamięci, które są udostępniane naprzemiennie (bajty parzyste i nieparzyste). W momencie, gdy do jednego banku został udzielony dostęp, w drugim trwa operacja ładowania, która polega na określaniu adresu wiersza i kolumny. W chwili, gdy w pierwszym banku zostanie zakończone przekazywanie danych, drugi bank kończy etap ustawiania opóźnienia i jest gotowy do przekazania danych. Podczas gdy drugi bank przekazuje dane, w pierwszym określany jest adres wiersza i kolumny dla następnej operacji dostępu. Wzajemne nakładanie się operacji dostępu w obu bankach zmniejsza wpływ opóźnienia lub cykli ładowania, dzięki czemu dane są przetwarzane znacznie szybciej. Jedyny problem, jaki pojawia się w przypadku przeplatania, jest związany z koniecznością instalacji identycznych modułów pamięci w każdych dwóch bankach, przez co zostaje podwojona ilość wymaganych układów pamięci SIMM lub DIMM. Taka metoda była popularna w przypadku systemów wyposażonych w procesor 486 i 32-bitową pamięć, ale ze względu na układy pamięci dwukrotnie szersze (64-bitowe) została zaniechana w komputerach klasy Pentium. Aby w tego typu systemach możliwe było wykorzystanie przeplatania, wymagana jest instalacja modułów pamięci o łącznej szerokości 128-bitów, co odpowiada czterem 72-końcówkowym układom SIMM lub dwóm układom DIMM.

EDO (Extended Data Out) RAM

W roku 1995 w sprzedaży pojawił się nowszy typ pamięci o nazwie EDO (ang. Extended Data Out) RAM przeznaczony dla systemów klasy Pentium. Ze względu na to, że pamięć EDO jest zmodyfikowaną postacią układu FPM, czasami jest określana mianem pamięci HPM (ang. Hyper Page Mode). Pamięć EDO została opracowana i opatentowana przez firmę Micron Technology, która następnie udzieliła licencji na jej wytwarzanie wielu innym producentom. Pamięć EDO jest złożona ze specjalnie wykonanych układów pozwalających na nakładanie się taktowania kolejnych operacji dostępu. Nazwa pamięci (Extended Data Out rozszerzone wyjście danych) ściśle związana jest z tym, że w przeciwieństwie do układu FPM sterowniki wyjścia danych układu nie są wyłączane w momencie, gdy kontroler pamięci w celu rozpoczęcia następnego cyklu usuwa adres kolumny. Dzięki temu następny cykl może nakładać się na poprzedni, a to pozwala w ciągu cyklu zaoszczędzić w przybliżeniu 10 ns.

Mechanizm działania pamięci EDO pozwala na skrócenie cykli, co jest możliwe dzięki kontrolerowi pamięci, który już w trakcie odczytu danych spod aktualnego adresu rozpoczyna przetwarzać kolejną instrukcję adresującą nową kolumnę. Uzyskany efekt jest prawie identyczny z tym, który osiągano w starszych systemach wykorzystujących przeplatanie banków pamięci. Jednak, w przeciwieństwie do przeplatania, w przypadku pamięci EDO nie jest wymagana instalacja w bankach pamięci dwóch identycznych modułów.

W porównaniu do schematu taktowania 5-3-3-3 standardowej pamięci FPM, układ EDO RAM pozwala na zastosowanie taktowania w trybie seryjnym zgodnie ze schematem 5-2-2-2. Wynika z tego, że w celu wykonania czterech operacji przesłania danych pamięć EDO wymaga 11 cykli. W przypadku pamięci FPM byłoby to 14 cykli, czyli uzyskuje się skrócenie czasu trwania operacji o 22%. Niestety, w rzeczywistych testach pamięci EDO otrzymywane wyniki wskazują, że zazwyczaj przyrost ogólnej szybkości wynosi około 5%. Chociaż taka wartość może nie robić większego wrażenia, to jednak zaletą pamięci EDO jest to, że oparta jest na takiej samej ogólnej architekturze układów DRAM jak pamięć FPM, co oznacza, że jej produkcja praktycznie nie będzie związana z żadnymi dodatkowymi kosztami. I faktycznie, w okresie największej popularności pamięć EDO była tańsza od układów FPM, a ponadto oferowała lepszą wydajność.

Pamięć EDO RAM idealnie nadawała się do komputerów produkowanych do roku 1997, które pracowały z maksymalną częstotliwością płyty głównej wynoszącą 66 MHz. Jednak wraz z pojawieniem się w 1998 r. nowszej i szybszej pamięci wykonanej w architekturze SDRAM, która stała się standardem dla nowych komputerów PC, pamięć EDO szybko znikła z rynku.

Odmianą pamięci EDO jest układ BEDO DRAM (ang. Burst Extended Data Out Dynamic Random Access Memory). Od EDO układ BEDO różni się jedynie specjalnym trybem seryjnym, który pozwala przesyłać dane z jeszcze z większą szybkością. Niestety, nowy typ pamięci był obsługiwany tylko przez jeden chipset (Intel 440FX Natoma), wskutek czego został on szybko wyparty przez pamięć SDRAM, która zyskała znacznie większe uznanie u producentów chipsetów i komputerów.

SDRAM

SDRAM (ang. Synchronous DRAM) jest typem pamięci DRAM zsynchronizowanej z magistralą pamięci. Dostęp do danych pamięci SDRAM odbywa się przy użyciu wydajnego potoku, który korzysta z szybkiego taktowanego interfejsu. Dzięki temu, że sygnały pamięci SDRAM są już zsynchronizowane z częstotliwością płyty głównej, uniknięto większości opóźnień charakterystycznych dla asynchronicznej pamięci DRAM.

W porównaniu z układami FPM i EDO wydajność pamięci SDRAM została znacznie zwiększona. Ze względu na to, że układ SDRAM jest typem pamięci DRAM, początkowa wartość opóźnienia jest nadal jednakowa, ale ogólny czas trwania cykli został znacznie skrócony. Pamięć pracująca w trybie seryjnym taktowana jest według schematu 5-1-1-1, co oznacza, że na wykonanie czterech operacji odczytu wymaganych jest tylko osiem cykli magistrali systemowej. W przypadku pamięci EDO i FPM było to odpowiednio 11 i 14 cykli. Mniejsza liczba cykli pamięci SDRAM pozwala w stosunku do pamięci EDO uzyskać przyrost szybkości o prawie 20%.

Poza mniejszą liczbą wymaganych cykli pamięć SDRAM może być również taktowana przez magistralę systemową pracującą z maksymalną częstotliwością 133 MHz (7,5 ns). Większość komputerów PC sprzedanych w okresie od 1998 do 2000 roku była wyposażona w układy pamięci SDRAM.

DDR SDRAM

Pamięć DDR (ang. Double Data Rate) SDRAM stanowi rozwinięcie projektu standardowego układu SDRAM. Charakteryzuje się możliwością przesyłania dwukrotnie większej ilości danych. Zamiast podwajać częstotliwość zegara, dwukrotne zwiększenie wydajności w pamięci DDR osiągnięto dzięki wykonywaniu w ciągu pojedynczego cyklu dwóch operacji przesłania danych. Pierwsza z nich odbywa się na rosnącym, natomiast druga na opadającym zboczu cyklu. Zasada działania jest podobna jak w przypadku pamięci RDRAM. Nawet pomimo to, że nadal są wykorzystywane takie same sygnały i częstotliwość, uzyskuje się podwojenie ilości przesyłanych danych.

Początkowo pamięć DDR znalazła zastosowanie głównie w kartach graficznych i od tego momentu stała się najpopularniejszym standardem pamięci instalowanej w komputerach PC.

Pamięć DDR SDRAM pojawiła się w sprzedaży w roku 2000, ale tak naprawdę popularność zdobyta dopiero pod koniec 2001 r., gdy na rynku pojawiły się płyty główne i chipsety z nią kompatybilne.

RDRAM

RDRAM (ang. Rambus RDRAM) jest pamięcią o dość radykalnym rozwiązaniu spotykanym w droższych komputerach PC dostępnych na rynku od końca roku 1999. W 1996 r. firma Intel podpisała umowę z firmą Rambus, w której zadeklarowała się do rozwijania do końca roku 2001 pamięci RDRAM. Przedstawiono również propozycję kolejnych standardów związanych z pamięcią RDRAM, mającą w przyszłości współpracować z procesorami, które pojawią się do 2006 r.

Firma Rambus opracowała coś, co właściwie jest magistralą pamięci łączącą układy i wyposażoną w specjalizowane urządzenia komunikujące się ze sobą z bardzo dużą szybkością.

Komputery wyposażone w pamięć konwencjonalną złożoną z układów FPM/EDO lub SDRAM określane są mianem systemów szerokokanałowych (ang. wide-channel Systems). Tego typu systemy dysponują kanałami pamięci o szerokości magistrali danych procesora, która w przypadku układu Pentium i nowszych wynosi 64 bity. Moduł DIMM (ang. Dual Inline Memory Module) posiada szerokość 64 bitów, co oznacza, że jednocześnie pozwala na przesłanie 64 bitów danych (8 bajtów).

Dla porównania, pamięci RDRAM są układami o niewielkiej szerokości. Z tego też powodu są w stanie jednocześnie przesłać tylko 16 bitów (2 bajty) ewentualnie poszerzonych o 2 bity parzystości, ale za to ze znacznie większą szybkością. Pamięć RDRAM jest przykładem przejścia z architektury równoległej na szeregową.

Pojedynczy 16-bitowy kanał modułu RIMM początkowo pracował z częstotliwością 800 MHz, co pozwalało uzyskać ogólną przepustowość wynoszącą 800 MB/s x 2 lub inaczej 1,6 GB/s (dla jednego kanału), a to odpowiadało osiągom pamięci PC 1600 DDR SDRAM. W większości pierwszych komputerów wyposażonych w procesor Pentium 4 wykorzystywano jednocześnie dwa banki, dzięki czemu możliwe było uzyskanie dwukanałowego rozwiązania o przepustowości 3,2 GB/s, co odpowiadało możliwościom magistrali pierwszych modeli procesora Pentium 4. Architektura pamięci RDRAM cechuje się stosowaniem mniejszych opóźnień pomiędzy kolejnymi operacjami przesyłania danych. Wynika to stąd, że wszystkie operacje są wykonywane synchronicznie w zamkniętym układzie i tylko w jednym kierunku.

Pojedynczy kanał pamięci Rambus jest w stanie obsłużyć maksymalnie 32 układy RDRAM, natomiast w przypadku użycia buforów jeszcze większej ilości. Każdy układ jest szeregowo połączony z następnym, a całość jest umieszczona w module RIMM (ang. Rambus Inline Memory Module). Wszystkie operacje przesyłania danych zachodzą jednak nie między poszczególnymi układami, a między kontrolerem pamięci i jednym układem. Pojedyncze układy pamięci RDRAM umieszczono w module RIMM. Zazwyczaj jeden kanał składa się z trzech gniazd modułów RIMM. Magistrala pamięci RDRAM ma postać ciągłej ścieżki połączonej z każdym układem i ich modułem. Każdym moduł posiada końcówki wejść i wyjść umieszczone na przeciwległych końcach. Wynika z tego, że w każdym pustym gnieździe pamięci RDRAM konieczne jest zainstalowanie modułu, który pozwoli zamknąć ścieżkę. Sygnały, które osiągną koniec magistrali zatrzymują się na płycie głównej.

Każdy układ RDRAM umieszczony w module RIMM1600 w rzeczywistości funkcjonuje jako niezależny element wyposażony w 16-bitowy kanał danych. Każdy układ RDRAM zawiera rdzeń dysponujący 128-bitową magistralą podzieloną na osiem 16-bitowych banków pracujących z częstotliwością 100 MHz. Innymi słowy, co 10 ns (100 MHz) każdy układ RDRAM jest w stanie przesłać do lub z rdzenia 16 bajtów danych. Tego typu interfejs cechujący się wewnątrz układu dużą szerokością, a na zewnątrz znacznie mniejszą stanowi fundament, na którym opiera się architektura pamięci RDRAM.

Do innych innowacji architektury należy zaliczyć separację sygnałów magistrali służących do sterowania i przesyłania danych. W trakcie transferu danych przy użyciu 2-bajtowej magistrali danych niezależne magistrale sterujące i adresujące są dzielone na dwie grupy końcówek odpowiedzialnych za obsługę wierszy i kolumn. Magistrala pamięci w rzeczywistości pracuje z częstotliwością 400 MHz, natomiast dane przesyłane są zarówno przy wykorzystaniu rosnącego, jak i opadającego zbocza cyklu, co odpowiada wykonaniu dwóch operacji w ciągu pojedynczego taktu zegara. Zbocze opadające określa cykl parzysty (ang. even cycle), natomiast zbocze rosnące cykl nieparzysty (ang. odd cycle). Pełna synchronizacja magistrali pamięci możliwa jest dzięki rozpoczęciu przesyłania pakietów danych od mających początek przed cyklem parzystym. Średni czas oczekiwania (opóźnienie) na rozpoczęcie transferu danych wynosi tylko jeden cykl lub maksymalnie 2,5 ns.

W tym samym przedziale czasu widocznych jest 5 pełnych cykli zegara (każdy zawiera zbocze rosnące i opadające) oraz 10 cykli danych. Dla celów związanych z synchronizacją pakiet danych pamięci RDRAM zawsze rozpoczyna się od cyklu parzystego (zbocza opadającego).

Więcej w tej kategorii: « Moduły pamięci

Skomentuj

Popularne Artykuły

Pomagaj z nami

Warto zobaczyć

Reklama

Nowości

Bestsellery książkowe

  • Autor:
  • Cena:
  • Status:

Książka chwilowo niedostępna.

Szukaj

Newsletter

Kupuj najtaniej

Społeczność