[GBM]

Spis treści:
1.Co to jest RAM ?
2.Pamięci statyczne i dynamiczne
3.Wymiana informacji między procesorem, a pamięcią
4.Adresy, krótkie definicje
5.Typy pamięci RAM

1. Co to jest RAM ?

Pamięć RAM – pamięć o swobodnym dostępie, pozwala odczytywać i zapisywać dane na dowolnym obszarze ich przechowywania.

Pamięć operacyjna (DRAM) jest przestrzenią roboczą mikroprocesora przechowującą otwarte pliki systemu operacyjnego, uruchomione programy oraz efekty ich działania.
Główną cechą pamięci RAM jest zdolność do przechowywania informacji tylko wtedy, gdy podłączone jest zasilanie. W momencie zaniku napięcia zawartość ulega skasowaniu, jest to zatem pamięć ulotna.

W pamięci RAM przechowywane są aktualnie wykonywane programy i dane dla tych programów oraz wyniki ich pracy. Zawartość większości pamięci RAM jest tracona w kilka sekund po zaniku napięcia zasilania, niektóre typy wymagają także odświeżania, dlatego wyniki pracy programów muszą być zapisane na innym nośniku danych.

Rozróżniamy dwa typy pamięci RAM uzależnione od budowy:
- DRAM
- SRAM

Pamięć ferrytowa – pamięć komputerowa (pamięć o dostępie swobodnym) przechowująca dane w postaci kierunku namagnesowania rdzeni ferrytowych o prostokątnej pętli histerezy.
Pamięć ta przechowywała dane przy wyłączonym zasilaniu. Dane były kasowane przy każdym odczycie i – w razie potrzeby – ewentualnie niezwłocznie ponownie zapisywane, jeśli zachodziła potrzeba przechowania ich w dalszych cyklach pracy.

Pamięć ferrytowa występowała w wersjach:

• 3D – koincydencyjnej (duża pojemność, prosta elektronika, skomplikowane płaty, wolna)
  o 3D3W – trzyprzewodowa (pamięć koincydencyjna o organizacji 3D wykorzystująca do odczytu przewód zakazu)
  o H – hybrydowej (pamięć o organizacji 3D wykonana w postaci płaskiej)
  
• 2D – liniowej (mała pojemność, proste płaty, skomplikowana elektronika, szybka)
  o 2,5D – koincydencyjno-liniowej (rozwinięcie pamięci 2D o długim słowie, zawierające dodatkowe elementy selekcji bitów w słowie).

Element pamięci 2D



Struktura pamięci 2D



Element pamięci 3D



Struktura pamięci 3D


2. Pamięci statyczne i dynamiczne

DRAM (z ang. Dynamic RAM – dynamiczna pamięć RAM) jest zbudowana na bazie tranzystorów i kondensatorów. Pojedyncza komórka pamięci składa się z kondensatora i tranzystora sterującego procesem kondensacji. Jeśli kondensator jest naładowany, przechowuję bitową jedynkę, jeśli jest rozładowany, otrzymane zostaje bitowe zero. Pamięć jest budowy matrycowej, co powoduje że w celu odwołania się do konkretnej komórki należy podać adres wiersza i kolumny.

Pamięć DRAM podobnie jak procesory, wytwarzana jest w procesie fotolitografii, podczas którego wewnątrz półprzewodnika tworzone są tranzystory, kondensatory i ścieżki. Niewielka złożoność pojedynczej komórki (tylko jeden kondensator i tranzystor) pozwala budować pamięć o dużej gęstości (256 MB DRAM to 256 milionów kondensatorów i tranzystorów), niewielkich rozmiarach i dobrym stosunku ceny do pojemności. Duża pojemność i niska cena sprawiają, że pamięć DRAM idealnie nadaję się do roli pamięci operacyjnej komputera.

Największą wadą pamięci DRAM jest potrzeba odświeżania jej zawartości spowodowana zjawiskiem upływności kondensatorów, czyli ucieczki ładunków. W efekcie czego kondensatory trzeba co jakiś czas doładować. Podczas procesu odświeżania nie można dokonywać zapisu ani odczytu danych, co powoduje zwolnienie pracy pamięci.

Oto parametry określające wydajność DRAM.

• tCL (CAS Latency) – określa liczbę cykli zegarowych pomiędzy wysłaniem przez kontroler pamięci zapotrzebowania na dane, a ich dostarczeniem.
  
• tRCD (RAS to CAS Delay) – określa liczbę cykli zegarowych pomiędzy podaniem adresu wiersza, a wysłaniem adresu kolumny
  
• tRP (RAS Precharge) – określa liczbę cykli zegarowych pomiędzy kolejnym adresowaniem wierzy pamięci
  
• tRAS (Row Active Time) – określa liczbę cykli zegarowych pomiędzy aktywacją i dezaktywacją wierszy
  
• tCR (Command Rate) – określa liczbę cykli zegarowych pomiędzy adresowaniem dwóch komórek pamięci

Im powyższe wartości są mniejsze, tym szybszy jest dostęp do komórek pamięci, co przekłada się na zwiększenie wydajności RAM-u.



Komórka pamięci dynamicznej


Struktura pamięci dynamicznej


SRAM (ang. Static RAM – statyczna pamięć RAM) – jest pamięcią zbudowaną na bazie przerzutników i tranzystorów. Jedna komórka pamięci to jeden przerzutnik RS i dwa tranzystory sterujące.

Pamięć statyczna jest zbudowana wyłącznie z tranzystorów. W logiczne 1 lub 0 na kolejnych układach. W zależności od tego jaką wartość reprezentuje komórka, jeden z tranzystorów przewodzi, a drugi jest w stanie odcięcia.
W przeciwieństwie do DRAM pamięć SRAM nie wymaga odświeżania, dzięki czemu pozwala na znacznie szybszy dostęp do danych. Większa złożoność przekłada się na wyższe koszty produkcji i nie pozwala na budowanie pamięci o dużych pojemnościach, a to wyklucza zastosowanie SRAM jako pamięci operacyjnej komputera.

Pamięć SRAM wykorzystuje się głównie jako pamięć podręczną Cache L1 lub L2 gdzie istotniejsza jest wydajność niż pojemność.


Logiczny schemat komórki pamięci



Przerzutnik typu D



Strukturalna budowa pamięci statycznej


3. Wymiana informacji między procesorem, a pamięcią

Wymianą informacji między mikroprocesorem, a pamięcią operacyjną steruje kontroler pamięci, który do niedawna był częścią chipsetu płyty głównej, a obecnie jest zintegrowany z CPU (procesorem).

Wymiana informacji między procesorem, a pamięcią odbywa się za pomocą dwóch magistrali systemowej (ang. system bus) czyli układu połączeń, za pomocą których procesor komunikuje się z pamięcią operacyjną i urządzeniami wejścia-wyjścia.

Procesor wyposażony jest w trzy magistrale:

1. adresową — określa numery komórek pamięci, do których procesor zamierza się odwołać;
2. danych — służy do przesyłania danych do i z pamięci oraz do i z urządzeń wejścia-wyjścia,
3. sterującą — zawiaduje pracą układów otoczenia procesora oraz wskazuje aktualny stan procesora i magistrali.

Szybkość działania magistrali określa częstotliwość pracy zegara systemowego wyrażona w MHz oraz szerokość magistrali określana w bitach.

Wyróżnia się dwie magistralne do komunikacji między procesorem, a pamięcią:

- Front Side Bus (FSB) - magistrala występująca w wielu architekturach komputerów PC, łącząca CPU z kontrolerem pamięci (najczęściej zlokalizowanym w mostku północnym). Składa się ona z linii adresowych, linii danych oraz linii sterowania. Parametry FSB (ilość linii poszczególnych typów, częstotliwość) zależne są od zastosowanego procesora.

- HyperTransport, znana również jako Lightning Data Transport (LDT) jest, opracowaną przez AMD magistralą systemową spotykaną w komputerach PC wyposażonych w procesor z zintegrowanym kontrolerem pamięci (zastępuje tam FSB). Wykorzystywana jest do łączenia CPU z pozostałymi komponentami (kontrolery PCI Express, PCI, Ethernetu, USB, ...).

Jest to łącze typu punkt-punkt, umożliwiające połączenie ze sobą dokładnie dwóch urządzeń. Konieczne jest do tego łącze dwukierunkowe zasadniczo składające się z dwóch łącz jednokierunkowych (nie musi być symetryczne - łącza w różnych kierunkach mogą mieć różną szerokość). Szerokość pojedynczego łącza jednokierunkowego może wynosić od 2 do 32 bitów.

1,2 Voltova szyna mogąca pracować z zegarem od 200 do 1000 megaherców i w podstawowej wersji umożliwia przesył z prędkością 1600 Mb/s (200 MB/s), natomiast przy maksymalnej, 32-bitowej szerokości z prędkością 11200 MB/s. Korzysta ona z transmisji pakietowej (pakiety będące wielokrotnością 32 bitów, początkowe 64 bity zawierają komendę oraz 40-bitowy adres, kolejne zawierają dane).


4. Adresy, krótkie definicje

adres fizyczny - (physical address) jest adresem najniższego poziomu. Podczas komunikacji procesora z układem obsługującym pamięć, na jego liniach adresowych wystawiany jest właśnie adres fizyczny. Wykorzystujemy go podczas komunikowania się z dowolnymi urządzeniami. W trybie rzeczywistym adres fizyczny jest 20 bitowy.

Adres liniowy odnosi się pośrednio do pamięci fizycznej poprzez określenie tablicy stron w katalogu, odpowiedniej strony w tej tablicy stron, oraz przesunięcia wewnątrz tej strony.

Adres logiczny - (logical address) jest adresem złożonym z dwóch członów: identyfikatora segmentu i przemieszczenia w tym segmencie. Adres taki zapisujemy w postaci segment:offset. Adres logiczny powinien być wykorzystywany do zapisywania lub odczytywania danych, procesor automatycznie zamienia go na adres adres fizyczny.

Adres segmentowy - (segment) jest pierwszą częścią adresu logicznego. Jeżeli został podany bez offset'u oznacza to, że wskazuje nie konkretną komórkę pamięci a cały blok.

Adres relatywny - (offset) jest odległością od początku segmentu, lub jakiegoś bloku danych. Adres takiego segmentu musi być znany.


5. Typy pamięci RAM

DIP (ang. Dual In-line Package) , (1981) czasami nazywany DIL (Dual In Line) – w elektronice rodzaj obudowy elementów elektronicznych, głównie układów scalonych o małej i średniej skali integracji, a także elementów takich jak transoptory, optotriaki.

Wyprowadzenia elementu umieszczone są w równej linii na dwóch dłuższych bokach prostokątnej obudowy.
Ilość wyprowadzeń (pinów) wynosi 8, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 32, 36, rzadziej 40, 42, 48, rzadko 64.


Pamięć DIP


SIPP (z ang. Single Inline Pin Package) jest drugą generacją pamięci DRAM, która powstała w wyniku zapotrzebowania na rynku na łatwy w montażu na płycie głównej rodzaj pamięci RAM. Układ SIPP używał 30 pinów wzdłuż obrzeża i wyeliminował potrzebę, aby każdy chip DRAM był montowany indywidualnie.
SIPP zrewolucjonizował sposób, w jaki komputery osobiste (PC) używały pamięci RAM, ponieważ znacznie szybciej można go było zmienić na inny model.


Pamięć SIPP


SIMM (z ang. Single Inline Memory Module),(1994/1996) to pojedynczy moduł pamięci liniowej.
Istotną innowacją w układzie SIMM było to, że nie posiadał od wystających elementów tzw. pinów tak jak w poprzedniej wersji DRAM, którą był SIPP, ponieważ były one umieszczone na powierzchni płytki montażowej.
Inną ważną zmianą było też takie fizyczne ukształtowanie płytki pamięci SIMM, aby nie było można zainstalować jej niewłaściwie. Technicznie pomogło to wyeliminować możliwość potencjalnych uszkodzeń w trakcie montażu układu pamięci na płycie głównej.

Moduły SIMM można podzielić na:
• starsze 30-pinowe (8 lub 9 bitowe): 256KB, 1MB, 4MB, 16MB
• nowsze 72-pinowe (32 lub 36 bitowe): 1 MB, 2 MB, 4 MB, 8 MB, 16 MB, 32 MB, 64 MB, 128 MB


Pamięć SIMM

RIMM (ang. Rambus Inline Memory Module) – jeden z rodzajów kości pamięci komputerowej, na którym umieszczone są układy scalone z pamięcią Rambus DRAM (RDRAM).

Najpopularniejsze kości typu RIMM:
• 160-pinowe, stosowane SO-RIMM
• 184-pinowe, stosowane RIMM 16-bitowe
• 232-pinowa, stosowane RIMM 32-bitowe
• 326-pinowa, stosowane RIMM 64-bitowe

Kości 16-bitowe pamięci RIMM na płytach głównych muszą być montowane w parach, kości 32-bitowe mogą być instalowane pojedynczo. Każde niewykorzystane gniazdo pamięci na płycie głównej (ang. slot) musi być zamknięte specjalną zaślepką.
Kości pamięci RIMM wyposażone są w radiator, konieczny do odprowadzania nadmiaru ciepła.


Pamięć RIMM


SDR SDRAM (ang. Single Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) - to pamięć dynamiczna, (dawniej nazywana po prostu SDRAM, po wprowadzeniu techologii DDR SDRAM został dodany przedrostek SDR) synchroniczna, zbudowana na kondensatorach i tranzystorach. Synchroniczna, ponieważ działa ona zgodnie z przebiegiem taktu zegara procesora (współpraca z magistralą systemową).
W SDR SDRAM znajduje się 168 pinów.

Pamięć SDR SDRAM jest taktowana częstotliwościami 66, 100 i 133 MHz. Produkowane były moduły 16, 32, 64, 128, 256 i 512 MB. Produkcja została zaprzestana z powodu pojawienia się DDR - szybszych i wydajniejszych pamięci, których wielkość dochodzi już do 4 GB.


Pamięć SDR SDRAM


DDR SDRAM (ang. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) – rodzaj pamięci typu RAM stosowana w komputerach jako pamięć operacyjna oraz jako pamięć kart graficznych.

Pamięci te budowane są w obudowach TSOP jak i BGA i mogą wytrzymać temperaturę do 70°C. Kości przeznaczone dla płyt głównych zawierające moduły DDR SDRAM posiadają 184 styki kontaktowe i jeden przedział.

W pamięci typu DDR SDRAM dane przesyłane są w czasie trwania zarówno rosnącego jak i opadającego zbocza zegara, przez co uzyskana została dwa razy większa przepustowość. Kości zasilane są napięciem 2,5 V, co wraz ze zmniejszeniem pojemności wewnątrz układów pamięci, powoduje znaczące ograniczenie poboru mocy.



Pamięć DDR


DDR2 SDRAM (ang. Double Data Rate 2 Synchronous Dynamic Random Access Memory) – kolejny po DDR standard pamięci RAM typu SDRAM, stosowany w komputerach jako pamięć operacyjna.

Pamięć DDR2 charakteryzuje się wyższą efektywną częstotliwością taktowania (533, 667, 800, 1066 MHz) oraz niższym poborem prądu. Podobnie jak DDR, pamięć DDR2 wykorzystuje do przesyłania danych wznoszące i opadające zbocze sygnału zegarowego, czego nie należy mylić z technologią dual channel.

Pamięci DDR2 budowane są w obudowach FBGA (ang. Fine-pitch Ball Grid Array). Mogą pracować w temperaturze do 70°C.
Moduły pamięci DDR2 nie są kompatybilne z modułami DDR. Obecnie DDR2 obsługiwane są zarówno przez procesory firmy Intel jak i AMD.


Pamięć DDR2


DDR3 SDRAM (ang. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (ver. 3)) – nowy standard pamięci RAM typu SDRAM, będący rozwinięciem pamięci DDR i DDR2, stosowanych w komputerach jako pamięć operacyjna.

Pamięć DDR3 wykonana jest w technologii 90 nm, która umożliwia zastosowanie niższego napięcia (1,5 V w porównaniu z 1,8 V dla DDR2 i 2,5 V dla DDR). Dzięki temu pamięć DDR3 charakteryzuje się zmniejszonym poborem mocy o około 40% w stosunku do pamięci DDR2 oraz większą przepustowością w porównaniu do DDR2 i DDR. Pamięci DDR3 nie są kompatybilne wstecz, tzn. nie współpracują z chipsetami obsługującymi DDR i DDR2. Posiadają także przesunięte wcięcie w prawą stronę w stosunku do DDR2 (w DDR2 wcięcie znajduje się prawie na środku kości).

Obsługa pamięci DDR3 przez procesory została wprowadzona w 2007 roku w chipsetach płyt głównych przeznaczonych dla procesorów Intel oraz w 2009 roku w procesorach firmy AMD.


Pamięć DDR3


DDR4 SDRAM (ang. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (ver. 4)) – nowy standard pamięci typu DDR SDRAM. Jest on rozwinięciem pamięci DDR, DDR2 i DDR3 do zastosowań w komputerze.

Najsłabsze układy będą miały zegar 2133 MHza najszybsze pamięci, pracować będą z częstotliwością aż 4266 MHz.
DDR4 będą pracować z napięciem 1,2 lub 1,1 V (W planach jest obniżenie napięcia do 1,05V). Spekuluje się że chipy DDR4 wykonywane będą w rozmiarze 32 lub 36 nm.
Jednak są to tylko spekulacje ponieważ standard DDR4 nie został zatwierdzony.
Wiadomo jednak że wraz z wejściem tegoż standardu zerwany zostanie dotychczasowy model pamięci RAM, który umożliwia stosowanie wielokanałowości.


Pamięć DDR4


Bibliografia:

Treść:
„Urządzenia Techniki Komputerowej” – Tomasz Kowalski, wydawnictwo Helion
„Urządzenia techniki komputerowej” – Krzysztof Wojtuszkiewicz, wydawnictwo PWN
Notatki z lekcji urządzeń techniki komputerowej
www.wikipedia.pl
http://encyklopedia.helion.pl/
http://www.unit1.pl/258,txt

Obrazki, schematy, zdjęcia:
www.google.pl