Оперативная память. В оперативной памяти (RAM, Random-Access Memory — память с произвольной выборкой), как известно, хранятся выполняемые программы и данные

В оперативной памяти (RAM, Random-Access Memory — память с произвольной выборкой), как известно, хранятся выполняемые программы и данные, непосредственно участвующие в операциях.

От количества установленной в компьютере памяти зависит не только возможность работы с ресурсоемкими программами, но и его производительность, поскольку при нехватке памяти в качестве ее логического расширения используется жесткий диск. Кроме количества оперативной памяти, на производительность компьютера влияют также ее быстродействие и используемый способ обмена данными между микропроцессором и памятью.

Оперативная память компьютеров реализуется на микросхемах DRAM (Dynamic RAM — динамическая оперативная память), характеризующейся по сравнению с другими разновидностями памяти низкой стоимостью и высокой удельной емкостью, но большим энергопотреблением и меньшим быстродействием. Каждый информационный бит (0 или 1) в DRAM хранится в виде заряда конденсатора. Из-за наличия токов утечки заряд конденсатора необходимо с определенной периодичностью обновлять. Регенерация содержимого памяти требует дополнительного времени, а запись информации во время регенерации в память не допускается.

Модули типа SIMM (Single In-line Memory Module — модуль памяти с однорядным расположением микросхем), снабженные «ножевым» разъемом. Модули SIMM неодинаковые — есть 30-контактные, бывают и 72-контактные. Они имеют байтовую организацию — в одной ячейке памяти может храниться один байт (но имеется дополнительный бит для контроля по четности/нечетности, чтобы можно было выявлять ошибки в памяти). Если процессор 16-разрядный (двухбайтный), то необходимо четное число модулей. Если же процессор 32-разрядный (четырехбайтный), то число модулей должно быть кратно четырем. Такая необходимость вызвана тем, что сразу два или четыре байта должны адресоваться одинаково.

72-контактные модули SIMM. Модули SIMM этой разновидности имеют четырехбайтовую организацию. На системной плате 486 достаточно наличия одного такого модуля, Pentium требует установки модулей парами. Основополагающей характеристикой модулей памяти является их емкость.

72-контактные модули SIMM EDO (Extended Data Out - расширенный вывод данных) за счет модифицированной архитектуры позволяет начать один цикл доступа, не закончив другой.

168-контактные модули Модули DIMM (Double In-line Memory Module — модуль памяти с однорядным расположением микросхем)в отличие от SIMM имеют два ряда контактов, расположенных по обе стороны печатной платы, и устанавливаются путем вставки, а не наклоном. Каждый модуль обеспечивает 64-битный доступ, что обеспечивает возможность установки модулей по одному. Модули DIMM выпускаются в нескольких технологических вариантах, а также имеют различия по частоте шины: 66, 100 и 133 МГц. На базе DIMM были разработаны новы новые стандарты DDR SDRAM, SLDRAM и DRDRAM.

Модули оперативной памяти RIMM – PC800 представляла собой 16-битную память, работающую на реальной частоте 400 MHz (с DDR-эквивалентом пропускной способности равным 800 MHz). PC1066 – PC800, работающая на более высокой частоте — 533 MHz (1066 DDR MHz). PC3200 — представляет собой эквивалент PC800, но с 32-битной шиной. Модули PC4200 — синтез двух предыдущих изменений — 533 MHz частота с 32-битной шиной.

Другая характеристика модулей памяти — быстродействие, выражаемое временем доступа и измеряемое в нс (наносекундах).

Все перечисленные типы модулей оперативной памяти устанавливаются в специальные разъемы, соответствующие данному типу памяти, расположенные на системной плате. Кроме индивидуальных для каждого вида памяти разъемов, имеются специальные "ключи" - конструктивные выступы и прорези в разъеме и на модуле, что позволяет избежать их неправильной установки.

Но даже самые быстродействующие микросхемы DRAM не способны работать на частоте высокоскоростного микропроцессора (в данном случае имеется в виду внешняя тактовая частота). Поэтому, если не предпринято специальных мер, при обращении к памяти микропроцессор один или два такта будет простаивать. Каждый такт простоя называется тактом (периодом) ожидания. Как правило, операция обмена с памятью выполняется компьютером за два такта, поэтому добавление лишь одного периода ожидания увеличивает время обмена на 50 %, что, бесспорно, отрицательно сказывается на общей производительности компьютера.

Разработчики системных плат применяют три способа устранения периодов ожидания. Первый способ заключается в использовании микросхем со страничным режимом обмена, когда вся память логически делится на области заданного размера (страницы), причем многократный доступ в пределах одной страницы происходит без ожидания.

Второй способ устранения периодов ожидания основан на использовании механизма разделения памяти на несколько блоков таким образом, что соседние (по адресу) ячейки находятся в разных блоках. За время доступа к одному из блоков все другие успевают восстановить свою готовность к обмену. Поскольку доступ наиболее часто осуществляется по последовательным адресам, описанное разделение памяти на блоки дает ощутимые преимущества.

Третьим способом является использование кэш-памяти (cache memory) представляет собой быстродействующую полнофункциональную память небольшого размера, которая используется в качестве перевалочного пункта при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью. Чтобы кэш-память могла выполнять возложенные на нее функции, имеется специальный контроллер. Этот контроллер старается предопределить, какие данные и команды, вероятнее всего, в ближайшее время понадобятся процессору, и подкачивает их в кэш-память с упреждением, не привлекая для этой работы сам микропроцессор.

Шины

Шины — это соединения маршрутов данных, связывающие центральный процессор компьютера с модулями оперативной памяти и иными устройствами, с которыми он взаимодействует. Системная (front-side) шина связывает центральный процессор с основной памятью компьютера и шинами периферийных устройств. Шина кэш-памяти (backside) — достаточно быстрое соединение, которое центральный процессор использует для обмена информацией с внешней кэш-памятью, в том числе и с кэшем второго уровня. Скорость шины часто характеризуют таким ее параметром, как рабочая частота в мегагерцах.

Важной характеристикой, определяющей реальную производительность процессора, является скорость системной шины — основного конвейера, который процессор использует для связи с остальными компонентами системы. Шины, такие как 400-мегагерцевый канал в Pentium 4, передают данные со скоростью в трое быстрее, чем 133-мегагерцевая шина, применяемая в процессоре Pentium III.

С другой стороны, шина кэш-памяти второго уровня, которая служит для передачи данных в кэш, действительно работает с тактовой частотой центрального процессора. Определенное время назад (примерно в середине 1990-х годов) шина кэш-памяти была важным средством поддержки обмена данными. В процессорах Pentium II и Pentium Pro используется так называемая внешняя кэш-память, которая позволяет хранить часто используемые данные ближе (как с точки зрения расстояния, так и с точки зрения времени, необходимого для доступа к ним) к центральному процессору, чем данные, размещаемые в традиционной оперативной памяти. Специальный конвейер связывал процессор с этой кэш-памятью второго уровня, которая использовалась для передачи данных между ними с тактовой частотой процессора.

В ПК класса XT использовалась 8-разрядная шина Multibus I (известная также как шина IBM PC XT), разработанная самой фирмой Intel, а в ПК класса AT — ее усовершенствованный 16-разрядный вариант, получивший название ISA (Industry Standard Architecture — стандартная промышленная архитектура).

Упомянутые системные шины содержали линии адресов, данных и управления (правда, в шине Multibus I линии адресов и данных были мультиплексированными, то есть совмещенными), чтобы обеспечивать три вида передачи данных:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и периферийными устройствами (точнее — портами ввода-вывода);

3) между оперативной памятью и портами ввод-вывода, когда при обмене используется система прямого доступа к памяти.

В результате появления 32-разрядных микропроцессоров ситуация радикально изменилась — в среде производителей ПК начались разброд и шатания. Первые компьютеры с микропроцессором 80386 содержали шину ISA, но основная память в таких машинах подключается уже не к системной шине, а к самому микропроцессору, чтобы обмен осуществлялся с его скоростью и одновременно не двумя, а четырьмя байтами. Шина ISA — довольно узкое место компьютеров с 32-разрядными процессорами, поскольку, являясь 16-разрядной и по прежнему работая на частоте 8 МГц, она не может обеспечить пропускную способность, превышающую 8 Мбайт/с (обмен байтом осуществляется как минимум за два такта). Реальная, средняя пропускная способность и того меньше — около 2,5 Мбайт/с. В то же время 33-МГц микропроцессор 80386 или 80486 способен генерировать поток данных 132 Мбайт/с.

В связи с увеличением количества программ с графическим пользовательским интерфейсом (Windows и приложений, работающих в ее среде) пропускной способности шины ISA для видеообмена оказывается явно недостаточно. Решение в конечном счете было найдено в создании новых шин.

В основе работы видеосистемы лежит принцип, согласно которому на экране монитора всегда отображается то, что записано в видеопамяти, «территориально» находящейся в видеоадаптере.

Если видеосистема находится в текстовом режиме, то для каждого знакоместа экрана в видеопамяти отводится два байта, один из которых содержит код символа, а другой — его атрибуты. Смена изображения, когда видеосистема находится в текстовом режиме, не связана в перекачкой из оперативной памяти в видеопамять больших объемов данных.

Если видеосистема работает в графическом режиме, то в видеопамяти отводится несколько битов под каждую точку. Поэтому смена изображения в данном случае — настоящая встряска для компьютера, вызванная необходимостью передачи в видеопамять (через системную шину) большого количества данных, особенно в случае большой разрешающей способности и богатой палитры цветов видеосистемы. Шина ISA обладает невысокой пропускной способностью и не позволяет сделать это в приемлемое время.

Решение проблемы повышения скорости обмена данными с периферийными устройствами, которые этого требуют, было найдено в создании новых шин, обеспечивающих непосредственный доступ микропроцессора к периферийным устройствам, минуя системную шину. Вспомним, что все данные, передаваемые между оперативной памятью и периферийным устройством «протаскиваются» через микропроцессор, который с оперативной памятью связан напрямую. Если в компьютере есть шина, способная работать с его частотой и разрядностью, то все препятствия для высокоскоростного обмена оказываются преодоленными.

До настоящего времени было разработано несколько вариантов шин: VL-Bus, PCI, AGP.

Шина VL-Bus, VESA Local Bus или просто VLB, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association — ассоциация по стандартизации в области видеоэлектроники), является как бы продолжением процессорной шины, имеет разрядность 32 бита и работает на частоте до 40 МГц. Эта локальная шина проста и обладает исключительно низкой стоимостью, но имела ряд существенных недостатков и встречалась только на компьютерах класса 80486.

Разработка шины PCI(Peripheral Component Interconnect bus) началась весной 1991 года корпорацией Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). В результате шина PCI появилась в июне 1992 года (R1.0). Разработчики Intel отказались от использования шины процессора и ввели еще одну "антресольную" (mezzanine) шину.

Рис.7. Архитектура компьютера с шиной PCI

Благодаря такому решению шина получилась, процессоро-независимой (в отличие от VLbus) и могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Стандарт шины был объявлен открытым и передан PCI Special Interest Group, которая продолжила работу по совершенствованию шины (в настоящее время доступен R2.1). Основные возможности шины следующие.

· Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными. Для уменьшения числа контактов используется мультиплексирование (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям).

· Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей.

· Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):

o 132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;

o 264 MB/сек при 32-bit/66MHz;

o 264 MB/сек при 64-bit/33MHz;

o 528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.

· Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).

· Поддержка write-back и write-through кэша.

· Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.

· Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео + звук и т.д.).

· Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.

· PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течении которого устройство может занимать шину.

При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие повысить пропускную способность.

Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.

Шина PCI поддерживает архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture. Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода, как их называет компания Microsoft) и configuration space - "конфигурационное пространство".

Шина AGP (Accelerated Graphic Port). Появление новых программ, создание 3D ускорителей, привело необходимости либо увеличивать количество дорогой памяти непосредственно на видеокарте, либо хранить часть информации в дешевой системной памяти, но при этом организовать к ней быстрый доступ. Решение было найдено фирмой Intel на базе стандарта PCI R2.1, Intell разрабатывает новую шину - AGP (R1.0, затем 2.0), которая отличается от своего PCI в следующем:

1. шина способна передавать два блока данных за один 66 MHz цикл (AGP 2x);

2. устранена мультиплексированность линий адреса и данных (напомню, что в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передавались по одним и тем же линиям);

3. дальнейшая конвейеризация операций чтения/записи, по мнению разработчиков, позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Пропускная способность шины была оценена в 500 МВ/сек, и предназначалась она для того, чтобы видеокарты хранили текстуры в системной памяти, соответственно имели меньше памяти на плате.

Рис. 8. Архитектура компьютера с шиной AGP

Шина AGP 1.0 имеет два основных режима работы: Execute и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами.

В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. Таким образом, приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4К, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия необходимо предусмотреть механизм, отображающий последовательные адреса на реальные адреса 4-х килобайтных блоков в системной памяти. Шина AGP полностью поддерживает операции шины PCI, поэтому AGP-траффик может представлять из себя смесь чередующихся AGP и PCI операций чтения/записи. Операции шины AGP являются раздельными (split). Это означает, что запрос на проведение операции отделен от собственно пересылки данных. Такой подход позволяет AGP-устройству генерировать очередь запросов, не дожидаясь завершения текущей операции, что также повышает быстродействие шины.

В 1998 году спецификация шины AGP получила дальнейшее развитие - вышел Revision 2.0. В результате использования новых низковольтных электрических спецификаций появилась возможность осуществлять 4 транзакции (пересылки блока данных) за один 66-мегагерцовый такт (AGP 4x), что означает пропускную способность шины в 1GB/сек! Единственное, чего не хватает для полного счастья, так это чтобы устройство могло динамически переключаться между режимами 1х, 2х и 4х, но с другой стороны, это никому и не нужно.

Однако потребности и запросы в области обработки видеосигналов все возрастают, и Intel выпустил новую спецификацию - AGP Pro - направленную на удовлетворение потребностей высокопроизводительных графических станций. Новый стандарт не видоизменяет шину AGP. Основное направление - увеличение энергоснабжения графических карт. С этой целью в разъем AGP Pro добавлены новые линии питания, однако в разъемы AGP Pro можно устанавливать и карты AGP.

Поиск по сайту: