Вопрос № 3 модули оперативных ЗУ на бис

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Также она относится к одному из важнейших элементов компьютера, определяющих производительность и функциональные возможности всей системы.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, т.к., когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Оперативная память представлена определенным количеством микросхем ОЗУ на материнской плате. Если сравнительно недавно микросхемы ОЗУ подключались через специальные панельки - разъемы, позволявшие менять отдельные микросхемы без пайки, то в настоящее время архитектура компьютера предусматривает их размещение на небольших платах-модулях. Такие модули памяти устанавливаются в специальные разъемы-слоты на материнской плате. Наиболее распространены модули типа DIMM и SIMM.

Миниатюрные SIMM-модули, или просто SIMM, представляют собой блоки оперативной памяти разной емкости. Широкое распространение нашли SIMM на 4, 8, 16, 32 и даже 64 Мбайт. SIMM бывают двух разных типов: на 30 pin и 72 pin, где pin ("пин") означает число контактов подключения к специализированному разъему ОЗУ на материнской плате. При этом 30 pin и 72 pin SIMM - не взаимозаменяемые элементы.

Важная характеристика модулей памяти – время доступа к данным, которое обычно составляет 60-80 наносекунд. В настоящее время SIMM`ы практически не применяются. На их смену пришли DIMM`ы, а на смену DIMM приходят DDR и RIMM, но по сравнению с DIMM они имеют немного большую стоимость и соответственно повышенную скоростью обмена.

Основными разновидностями модулей динамических оперативных ЗУ с момента их оформления в виде самостоятельных единиц были:

- 30-контактные однобайтные модули SIMM (DRAM);

- 72-контактные четырехбайтные модули SIMM (DRAM);

- 168-контактные восьмибайтные модули DIMM (SDRAM);

- 184-контактные восьмибайтные модули DIMM (DDR SDRAM);

- 184-контактные (20 из них не заняты) двухбайтные модули RIMM (RDDRAM).

Сокращение SIMM означает модуль памяти с одним рядом контактов, т.к. контакты краевого разъема модуля, расположенные в одинаковых позициях с двух сторон платы, электрически соединены. Соответственно DIMM значит модуль памяти с двумя рядами контактов. А вот RIMM означает модуль памяти типа Rambus. (Модули памяти RIMM (Rambus). Внешне модули RIMM напоминают модули DIMM, однако они имеют меньшее число контактов и с обеих сторон закрыты специальными металлическими экранами, не используемых в предыдущих модулях памяти. В стандарте RIMM выпускается память типа Direct RAMBUS DRAM (RDRAM), работающая с результирующей частотой до 800Mhz и использующая 16-битную мультиплексируемую шину на канал, что, с одной стороны, означает высокую скорость работы в приложениях, требующих потоковую передачу данных, и легкость масштабирования, с другой - к увеличению стоимости, как самих модулей, так и предназначенных для них материнских плат по сравнению с технологиями DDR SDRAM и обычной PC133 SDRAM. В настоящее время существуют следующие чипсеты с поддержкой RDRAM — для Pentium III — i820(E), i840; для Pentium 4 — i850. Модули RIMM выпускаются объемом до 1GB и могут иметь поддержку ECC. Технология памяти Rambus обеспечивает наивысший на сегодня уровень производительности DRAM - 1,6 Гбайт/с (это пиковая пропускная способность для одного устройства) и будет применяться в нескольких поколениях DRAM. В модулях памяти Rambus RIMM, использующих память типа RDRAM, применяется отраслевой стандарт. Конструктивно эти модули напоминают обычные модули DIMM и могут размещаться на системных платах современных ПК. Память Rambus планируется применять в компьютерных системах, средствах мультимедиа и графики, коммуникационных системах и устройствах потребительской электроники.).

Если микросхемы памяти физически располагаются только с одной стороны платы, то такой модуль называют односторонним, а если с двух сторон – то двусторонним. При равной емкости модулей у двустороннего модуля количество микросхем больше, поэтому на каждую линию шины данных приходится большая нагрузка, чем при использовании одностороннего. С этой точки зрения односторонние модули предпочтительней двусторонних. Однако количество банков в двусторонних модулях вдвое больше, чем в односторонних, поэтому при определенных условиях и хорошем контроллере памяти двусторонний модуль может обеспечить несколько большую производительность.

Помимо собственно конструктивной организацией и типа памяти, модули имеют некоторые другие различия. Одним из таких различий является возможность (или ее отсутствие) контроля хранимых данных. Такой контроль позволяет выявить ошибки при считывании хранимой информации из памяти, но не исправить их. Причем, строго говоря, нельзя и установить, когда возникла ошибка: при записи или при чтении. Более того, парная ошибка обнаружена не будет. Более сложный контроль предполагает использование кодов, корректирующих ошибки.

Еще одной особенностью, различающей модули динамической памяти, является способ, посредством которого после включения компьютера определяется объем и тип установлений в нем памяти. С появлением модулей SIMM стал использоваться т.н. параллельный метод идентификации, при котором краевой разъем модуля имел дополнительные контакты, используемые только для целей указания присутствия модуля в том слоте, где он установлен, его объема и времени обращения.

Попытки использовать этот же прием в последующих модулях потребовали увеличения количества таких контактов, но решить все проблемы идентификации не смоги. Поэтому, начиная с модулей DIMM, используют т.н. последовательный способ идентификации, при котором на плату модуля устанавливается специальная дополнительная микросхема, так называемый SPD-чип, представляющая собой небольшую постоянную память на 128 или 256 байт. В этой микросхеме записана основная информация об изготовителе модуля и его параметрах.

Дополнительная информация. Использование модулей в настоящее время:

Южнокорейская компания Samsung Electronics объявила о разработке первой в мире микросхемы оперативной памяти DDR3 (Double-Data-Rate) DRAM.

Как сообщается в пресс-релизе, чип объемом 512 Мбит обеспечивает возможность передачи информации со скоростью 1066 Мбит/с, что вдвое превышает аналогичный показатель для микросхем DDR2. При разработке прототипа использовалась 80-нанометровая технология. При этом рабочее напряжения чипа DDR3 DRAM составляет всего 1,5 В, что обеспечивает более низкое энергопотребление по сравнению с применяющейся в настоящее время памятью DRAM.

Ожидается, что в продажу микросхемы памяти DDR3 DRAM поступят в начале 2006 года. А к 2009 году, согласно прогнозам аналитиков, на такие чипы будут приходиться порядка 65 процентов мирового рынка DRAM-памяти. Модули DDR3 DRAM планируется использовать в ноутбуках, настольных компьютерах и серверах.

Нужно отметить, что не так давно компания Samsung начала массовый выпуск сверхбыстродействующей оперативной памяти XDR DRAM (eXtreme Data Rate) с пропускной способностью до 8 Гбит/с. Модули XDR DRAM ориентированы, прежде всего, на мощные мультимедийные компьютеры, игровые приставки, цифровые телевизоры, серверы и рабочие станции.

Дополнительно:

ОЗУ организовано по модульному принципу. Адрес обращения к такому ЗУ состоит из двух частей: в первой части содержится номер модуля, во второй части – номер ячейки внутри модуля. Расшифровка номеров модулей осуществляется дешифратором, выходные сигналы которого обеспечивают обращение к любому модулю для записи или считывания данных.

Организация памяти на БИС. Современное состояние производства БИС пока не позволяет получать запоминающие микросхемы необходимой разрядности и емкости. Существенным препятствием на пути освоения выпуска требуемых БИС является большое количество и низкая надежность выводов корпуса микросхемы. В результате анализа различных способов организации БИС установлено, что минимальное количество выводов будет иметь корпус микросхемы, предназначенной для хранения одного разряда N слов. Поэтому в настоящее время около 95% всех выпускаемых БИС емкостью более 256 бит предназначены для хранения одноразрядных слов, т. е. имеют одноразрядную структуру. Кроме того, при одноразрядной структуре любой отказ внутри БИС приводит к возникновению ошибки только в одном разряде слова или нескольких слов. Такой отказ сравнительно легко может быть обнаружен и исправлен, например, с помощью специальных кодов, что обеспечивает высокий уровень надежности ЗУ.

Из одноразрядных БИС путем объединения их определенным образом строится ЗУ требуемой емкости. Существует три способа увеличения информационной емкости ЗУ с помощью объединения БИС памяти: увеличение разрядности хранимых слов, количества слов, разрядности и количества слов (рис. 7.26). Считая, что БИС фактически представляет собой ЗУ емкостью N одноразрядных слов, рассмотрим эти способы. На рис. 7.26 квадратами изображены БИС, которые имеют адресные входы, разрядные входы-выходы и входы управления: CS - выбор кристалла и EWR/ERD - запись-считывание. Для обращения к БИС необходимо на ее вход подать соответствующие уровни сигналов CS и EWR/ERD, а также код адреса, по которому будет выбран запоминающий элемент в БИС. В зависимости от вида операции произойдет или считывание или запись в выбранный ЗЭ.

Увеличение разрядности ЗУ при неизменном количестве хранимых слов осуществляется путем объединения адресных входов нескольких БИС (см. рис. 7.26а). Сигналы CS и EWR/ERD поступают одновременно на все БИС, и по заданному адресу в каждой БИС выполняется обращение к одному ЗЭ. Количество БИС определяется количеством требуемых разрядов. Разрядные плоды-выходы БИС являются входами-выходами ЗУ с увеличенной разрядностью.

Увеличение количества слов в ЗУ осуществляется объединением адресных и одноименных разрядных шин всех БИС (см. рис. 7.266). При этом часть разрядов кода адреса подается на специально вводимый дешифратор выбора кристалла (DC К.), с помощью которого производится выбор одной из БИС ЗУ. Таким образом, на рис. 7.266 изображено ЗУ емкостью N-k одноразрядных слов. Для выполнения обращения к ЗУ на входы БИС подаются код адреса и сигнал EWR/ERD. На основе анализа части кода адреса DCK на одном из своих выходов формирует сигнал разрешения обращения, выбирая тем самым конкретную БИС. Вторая часть кода адреса поступает на все БИС, однако обращение выполняется только к ЗЭ той БИС, которая выбрана сигналом с DCK.

Комбинация рассмотренных способов позволяет наращивать информационную емкость ЗУ за счет приращения количества слов и их разрядности. На рис. 7.26в изображен порядок объединения БИС для организации ЗУ емкостью N-k разрядных слов. При этом все БИС удобно представлять в виде матрицы. Группа из N слов определяется сигналом, формируемым на выходе DCK, а конкретное слово из этой группы выбирается по анализу части кода адреса, поступающей на все БИС ЗУ. Увеличивать емкость ЗУ за счет приращения разрядности слов необходимо путем добавления БИС в «столбцы» матрицы БИС. Количество слов в ЗУ можно увеличивать, добавляя БИС в «строки» матрицы БИС.

Рассмотренные способы объединения БИС позволяют наращивать информационную емкость ЗУ до определенного предела. Этот предел определяется нагрузочной способностью адресных и разрядных формирователей, коэффициентами объединения выходов БИС, паразитными параметрами адресных и разрядных шин, влияющими на надежность и быстродействие ЗУ. Для дальнейшего увеличения информационной емкости ЗУ необходимы дополнительные схемы разветвления сигналов.

При создании полупроводниковой памяти большой информационной емкости широко используется модульный принцип конструирования ЗУ. Суть этого принципа состоит в том, что все ЗУ строятся из отдельных функционально законченных блоков-модулей памяти. Модуль памяти – это законченное устройство хранения информации, объединяющее несколько БИС и имеющее средства сопряжения с другими модулями. Модульный принцип построения позволяет создавать ЗУ с различными параметрами на базе ограниченного набора типовых модулей. Существенным преимуществом этого принципа является возможность совмещения операций обращения к нескольким модулям памяти одновременно, что повышает быстродействие ЗУ.