Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может формироваться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Memory — SRAM) типа.

Память SRAM статического типа обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже динамической памяти. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров (схем с двумя устойчивыми состояниями). После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго, необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки из конкретной ячейки. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

В динамической памяти DRAM ячейки построены на основе полупроводниковых областей с хранением зарядов — своеобразных конденсаторов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем, через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти — динамическая. На подзарядку тратится и энергия и время, и это снижает производительность системы. Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (до десятка наносекунд), но большую удельную плотность (до нескольких тысяч Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Кэш-память

Кэш-память имеет несколько уровней. Уровни L1, L2 и L3  – регистроваякэш-память, высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник». Кэш-память уровня L4 является буфером между НМД и оперативной памятью, она строится либо на основе DRAM, либо на основе флэш-дисков. В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы. Благодаря кэш возможен быстрый доступ к данным и сокращение времени выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. Туда же записываются и результаты операций, выполненных в МП. По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

l кэш-память «с обратной записью» - результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

l кэш-память «со сквозной записью» - результаты операций параллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

МП, начиная от 80486, обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. МП Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Емкость этой памяти для МП Pentium и Pentium Pro небольшая — по 8 Кбайт, у следующих версий МП Pentium по 16 Кбайт, а у МП серии Core по 32 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня (L1) есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП используется дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на СП (вне МП), емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на СП относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1–2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2–5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит от времени обращения, и пропускной способности интерфейса, лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с. Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память L1, L2, L3 на основе микросхем статической памяти.

Основная память

При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания.