«Все жалуются на отсутствие памяти, и никто не жалуется на отсутствие ума». К сожалению, я не помню в точности, кому из великих насмешников, Б. Шоу или О. Уайльду, принадлежат эти слова, да и дело-то не в этом. А дело в том, что в наше время память человеческая уже мало кого интересует. Микросхемы, микросхемы... — вот что прежде всего имеют в виду, когда говорят о памяти. Проблема нехватки памяти стала особенно острой в нашем персонально-закомпьютеризированном мире с появлением таких ресурсоемких операционных систем, как OS/2 Waq) и Windows 95. Значит настало время ... поговорить о памяти.
Строго говоря, слово «память» является профессиональным сленгом. В русскоязычной литературе используется термин «запоминающее устройство» (ЗУ), ну да кто же это выдержит? ЗУ классифицируются по назначению (регистровые, оперативные, внешние, буферные, постоянные), по способу доступа (с последовательной выборкой, с произвольной выборкой и ассоциативные, с выборкой не по адресу, а по признаку хранимой информации) и по принципу действия. Не ради испытания терпения читателя, а просто для «связи времен» приведу сокращенный список классификаторов ЗУ по принципу действия:
-
электроннолучевые трубки в режиме потенциалоскопа;
-
ферромагнетики;
-
ферритовые сердечники;
-
магнитные пленки;
-
плоские магнитные домены;
-
цилиндрические магнитные домены;
-
триггеры;
-
конденсаторы.
Дальше пойдет речь только о полу-проводниковых оперативных ЗУ(ОЗУ) с произвольным доступом. В англоязычной литературе они называются Random Access Memory (RAM) chips.
В персональных компьютерах ис-пользуется два вида оперативной памяти: статическая (SRAM) и динамическая (DRAM).
Каждый элемент (ячейка) статической памяти представляет собой бистабильную триггерную схему, реализованную на 4 или 6 транзисторах. SRAM сохраняет данные неопределенно долго, пока не выключается питание, без необходимости в активности каких-либо внешних схем. Время выборки современных SRAM не превышает 20 ns.
Основная оперативная память IBM PC-совместимых компьютеров строится на базе DRAM. Поэтому мы уделим ей больше внимания.
Каждый бит DRAM представляет собой заряд микроскопического конденсатора. Ячейка DRAM занимает вчетверо меньшую площадь на кремниевой пластинке, чем ячейка SRAM, что транслируется в стоимость.
Конструктивно DRAM имеет матричную структуру, т. е. ячейки памяти образуют ряды и колонки. Выбор бита осуществляется путем выбора ряда и колонки, на пересечении которых он находится. DRAM характеризуется целым рядом временных параметров, однако все они замечательно хорошо масштабируются одним и поэтому основным — временем выбора ряда, Row Access Time (tRAC).
Динамическая память гораздо медленнее статической: характерное время доступа для нее составляет 60 — 80 ns. Кроме того, конденсаторы со временем теряют заряд, поэтому эта память требует регенерации с периодом не менее 2 — 4 ms. Регенерация осуществляется либо при выполнении операций чтения/записи, либо, если в течение длительного времени обращение к памяти не выполнялось, принудительно, с помощью «холостого» цикла чтения. Это еще больше увеличивает эффективное время доступа.
Другим недостатком DRAM является довольно большая вероятность ошибок по сравнению со статической памятью. Ошибка памяти выражается в том, что считываемая по какому-либо адресу информация не совпадает с записанной. Ошибки бывают устойчивые (воспроизводимые) или неустойчивые (невоспроизводимые, плавающие). При устойчивой ошибке результаты операций чтения/записи для неисправной ячейки всегда одинаково неверны. В случае плавающей ошибки повторная запись «исправляет» ячейку, т. е. ошибка не воспроизводится. Отрезок времени между повторением плавающих ошибок может колебаться от нескольких часов до нескольких лет.
Существуют два источника плавающих ошибок: шумы материнской платы и внутренние шумы микросхем памяти.
Шумы хорошо спроектированной материнской платы не оказывают сколь-нибудь значительного влияния на возникновение плавающих ошибок.
Внутренние шумы микросхем памяти вызываются двумя источниками. Одним из них являются цепи, расположенные по краям кремниевой пластинки, в областях со значительными неоднородностями. Подобные дефекты могут быть обнаружены производителем путем проведения соответствующей серии тестов. Второй источник — альфа-частицы, которые излучает пластиковый корпус микросхем, содержащий небольшое количество радиоактивного вещества. Если искажение информации произойдет во время цикла чтения, то при регенерации в ячейку запишется неверная информация, которая там и останется вплоть до изменения содержимого ячейки в результате выполнения операции записи. Еще в 1990 г. частота возникновения ошибок, вызванных альфа-частицами, составляла одну в три месяца. В современных системах она уменьшилась до одной в три года.
Оба типа ошибок могут быть вызваны также электростатическими повреждениями или другими неисправными элементами. К сожалению, подобного рода повреждения не сразу обнаруживаются в виде воспроизводимых ошибок. Неделями и месяцами они могут проявляться как плавающие ошибки.
Как устойчивые, так и плавающие ошибки критичны для приложений, которые распространяют свои данные среди других вычислительных систем. Поэтому для их своевременного обнаружения используют различные приемы, в частности, контроль четности и схемы коррекции ошибок — Error Correcting Circuits (ЕСС).
Для контроля четности используется один дополнительный бит, который добавляется к каждому байту памяти и заполняется при записи информации в память схемами контроля таким образом, чтобы сумма содержимого всех 9 бит была нечетной. Контроль выполняется при чтении байта. Очевидно, что искажения информации, не изменяющие четности, таким способом не могут быть обнаружены. Однако частота возникновения таких ошибок — одна за много тысяч лет.
Заметим, что ряд производителей, выпускающих память с низкой вероятностью возникновения ошибок вследствие внутренних шумов, в целях снижения стоимости отказались от установки схем контроля четности.
ЕСС используются в Pentium-системах, имеющих 64-разрядную шину доступа к памяти. Этот метод позволяет не только обнаружить плавающую ошибку, но и устранить ее «на лету», без воздействия на работу программы.
Схемы памяти имеют одноразрядную (битную) организацию. Это означает, что, например, микросхема объемом 1 Mbit предоставляет 1 разряд на группу адресов, а микросхема объемом 4 Mbit — по 4 разряда. Поэтому, для того чтобы образовать объем памяти 1 МВ, необходимы 8 микросхем по 1 Mbit или 2 микросхемы по 4 Mbit. Однако микросхемы памяти — это не просто наборы ячеек. Они содержат все основные компоненты, необходимые для управления: логические схемы адресации ячеек; схемы чтения содержимого любой ячейки памяти; схемы записи в любую ячейку. Для облегчения подключения ЗУ к другим логическим или запоминающим устройствам микросхемы содержат также входные формирователи, выходные буфера и схемы расширения адреса.
Микросхемы памяти выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили следующие типы корпусов:
-
DIP (Dual In-line Package), корпус с двухрядным расположением контактов;
-
SIPP (Single In-line Pin Package), корпус с однорядным расположением контактов;
-
ZIP (Zigzag In-line Package), корпус с зигзагообразным расположением контактов.
Память в таком оформлении доставляла много неудобств конечному пользователю, решившемуся самостоятельно ее установить. Кроме того, память в корпусах типа DIP занимала слишком много места на материнской плате. Поэтому в начале 80-х годов производители начали поставлять память на небольших печатных платах с «ножевым» разъемом с установленными на них микросхемами памяти. Эти модули получили название SIMM (Single In-line Memory Module) и стали самыми распространенными, начиная с конца 80-х.
«Классический» модуль SIMM имеет 30 контактов и байтовую организацию. Это означает, что один такой модуль предоставляет 8 разрядов (9 — если с контролем четности) на группу адресов. В последнее время на рынке стали появляться модули SIMM с 72 контактами и 36-разрядпой «шириной»: 32 разряда для данных н 4 — для контроля четности. Другое преимущество этих модулей заключается в использовании 4 контактов для информирования системы о своих скоростных характеристиках, что позволяет автоматически выполнять конфигурацию.
Память в компьютере организуется в банки. Банк является системотехническим «квантом» памяти: в компьютере допустимо устанавливать только целое число банков. Количество разрядов (bit) в банке должно соответствовать ширине шины данных. Поэтому для PC с 16-разрядной шиной данных (286, 386SX) банк образуют два 30-контактных модуля, а для PC с 32-разрядной шиной (386DX и всего клона 486) —четыре 30-контактных или один 72-контактный. Заметим, что модули в одном банке должны быть одного типа. Для Pentium-систем, у которых 64-разрядная шина данных, банк составляют два 72-контактных модуля.
Некоторые производители, в частности IBM, начали выпускать «двух-сторонние» 72-контактные модули SIMM, которые могут рассматриваться как два запараллеленных односторонних модуля. Но поскольку они имеют только один набор линий данных, за один цикл шины доступ возможен только к одной стороне. Поэтому они должны устанавливаться в Pentium- системы по-прежнему парами.
Что касается соответствия между тактовой частотой процессора и быстродействием памяти, то не существует надежной формулы для их связи. Очевидно одно, вы всегда можете установить память с большим быстродействием, чем та, что имеется на материнской плате. Говорят, что большинство материнских плат с тактовой частотой 25 MHz прекрасно работают с памятью, имеющей время до-ступа 80 ns, большинство плат с часто-той 33 MHz и некоторые с 40 MHz проектируются для памяти со временем до-ступа 70 ns. Некоторые материнские платы предусматривают установку дополнительного цикла ожидания, что позволяет использовать более медленную память (один из наиболее эффективных и распространенных способов согласования быстродействия процессора и памяти — использование кэш-памяти). В заключение отмечу, что при выполнении upgrade’a памяти необходимо также соблюдать ряд более тонких соответствий, связанных с наличием различных типов DRAM. В частности, необходимо, чтобы тип устанавливаемой памяти совпадал с типом памяти, имеющимся в компьютере. Проще всего руководствоваться при этом описанием или маркировкой на корпусе микросхемы.
В данном обзоре не приводится конкретная рецептура для процедуры расширения памяти в вашем компьютере. Однако надеюсь, что приведенной информации вполне достаточно для решения дилеммы, выполнять ли upgrade самому или обратиться к специалисту.
Из номера "Компьютерное Обозрение" №3 (12) от 27 сентября 1995 г.
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
