Системная память PC AT Организация оперативной памяти компьютера

Системная память PC AT. Организация оперативной памяти компьютера. Режимы работы памяти. Расслоение памяти (интерливинг). Страничный режим. Статическая и динамическая память. Статические запоминающее устройства. Постоянная память для хранения BIOS. Флэш-память.

Оперативная память компьютера наравне с дисковой подсистемой представляет собой наиболее важную часть компьютерной системы и во многом определяет область применения компьютера и доступные для использования программные средства. Наличие большого объема оперативной памяти компьютера может гарантировать высокую производительность вашей компьютерной системы.

Обычно основную оперативную память компьютера разделяют на стандартную, верхнюю, дополнительную и расширенную память.

n n Логически оперативная память разделена на ячейки объемом 1 байт. Соответственно оперативная память 64 Кб содержит 65 536 ячеек, а память 16 Мб содержит 16 777 216 ячеек. Каждая ячейка имеет свой уникальный двоичный адрес. При необходимости проведения операции считывания/записи данных из данной ячейки адрес ячейки передается от процессора к оперативной памяти по адресной шине.

n Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти процессора и, соответственно, максимальный объем оперативной памяти, которую можно непосредственно использовать. Разрядность шины адреса у большинства современных персональных компьютеров составляет 32 разряда, т. е. максимальный объем оперативной памяти может составлять 2 в 32 = 4 Гб.

n n Физически оперативная память изготавливается в виде БИС (больших интегральных схем) различных типов (SIMM, DIMM), имеющих различную информационную емкость (1, 4, 8, 16, 32 Мб). Различные системные платы имеют различные наборы разъемов для модулей оперативной памяти. Модули оперативной памяти характеризуются временем доступа к информации (считывания/записи данных). В современных модулях типа SIMM время доступа обычно составляет 60 нс, в модулях типа DIMM — 10 нс.

n n Операционная система MS-DOS создает сложную логическую структуру оперативной памяти: • основная (conventional) память занимает адресное пространство от 0 до 640 Кб, в нее загружаются операционная система, программы и данные; • верхняя память (UMB — Upper Memory Blocks) занимает адресное пространство от 640 Кб до 1 Мб, в нее могут быть загружены драйверы устройств; • высокая (high) память начинается после 1 Мб и имеет объем 64 Кб, в нее может быть частично загружена операционная система;

n n n Организация чтения: 1) Процессор <высылает> на шину адреса адрес нужной ячейки памяти 2) Память обнаруживает, что этот адрес из её адресного пространства, и записывает в регистр адреса 3) Дешифратор из двоичного кода получает <невозможно прочитать никакой код>, или <суммарный>, или<унитарный>. 4) Процессор дает команду прочитать. Считывает из ячейки информацию в регистр данных. Затем подключается к шине данных. 5) Готово. Процессор забирает с шины данных считанный код.

Организация записи: 1) Процессор <высылает> на шину адреса адрес нужной ячейки памяти, в которую нужно записать информацию. 2) Память обнаруживает, что этот адрес из её адресного пространства, и записывает в регистр адреса. 3) Процессор отправляет данные на шину данных. 4) С шины данных в регистр данных. 5) Запись в соответствующую ячейку.

n n Существуют несколько методов организации оперативной памяти: 1) Метод строк/колонок (Row/column). При данном методе адресации ОП, последняя представляет собой матрицу разделенную на строки и колонки. При обращении к ОП одна часть адреса определяет строку, а другая - колонку матрицы. Ячейка матрицы, оказавшаяся на пересечении выбранных строки и колонки считывается в память или обновляется ее содержимое.

n 2) Метод статических колонок (Static-column) . При данном методе адресации ОП информация, относящаяся к какой-либо программе, размещается в определенной колонке. Последующее обращение к данной программе происходит в ту же самую колонку. За счет статичности части адреса (ее не надо передавать по адресной шине) доступ к данным осуществляется быстрее.

n 3) Метод чередования адресов (Interleaved) , который впервые стал применяться в 386 моделях АТ компьютерах. Данный метод предполагает считывание (или запись) информации не по одному, а сразу по нескольким адресам: i, i+1, i+2 и т. д. Количество одновременно опрашиваемых адресов, по которым происходит считывание информации, определяет кратность чередования адресов, что соответствует количеству блоков ОП. На практике обычно используется 2 -х или 4 -х кратное чередование адресов, т. е. ОП делится на 2 или 4 блока. Запись информации в блоки осуществляется независимо друг от друга.

n n Информация по адресу i хранится в первом блоке, по адресу i+1 - во втором блоке и т. д. Считываемая с блоков информация далее переписывается в кэш-память для последующей переработки. 4) Метод страничной организации (Page-mode). При данном методе организации память адресуется не по байтам, а по границам страниц. Размер страницы обычно равен 1 или 2 Кбайта. Данный метод предполагает наличие в системе кэш-памяти емкостью не менее 128 Кб куда предварительно считываются требуемые страницы ОП для последующей переработки МП или другим устройством. Обновленная информация периодически из кэш -памяти сбрасывается в ОП.

n n Для уменьшения времени обращения к памяти используют режим расслоения памяти. Он предполагает параллельную адресацию банков памяти со смещением на слово. Для организации интерливинга используют количество банков памяти, кратное степени двойки ( 2, 4, 8 банков памяти). При использовании интерливинга на два банка памяти они адресуются со смещением на слово, т. е. в нулевом банке находятся четные слова, а в первом - нечетные. Нулевой банк будет выбран, когда А 1 равен нулю, а первый - при А 1, равном единице. При этом объемы банков памяти должны быть одинаковыми.

n n Структура организации памяти при интерливинге на два банка приведена на рис. 1. 2. Рис. 1. 2. Структурная схема интерливинга на два банка

Временная диаграмма доступа к памяти при интерливин ге При таком доступе сигналы RAS двух банков работают так, что время перезаряда одного банка Тпстр используется для активизации сигнала RAS другого банка. Это требует последовательных выборок, которые должны быть разделены между двумя банками. Для непоследовательных доступов необходима установка паузы ожидания для перезаряда банка памяти Тпстр.

n n n Для этого в схему задержки начала выполнения команды вводится дополнительная аппаратура. При последовательных доступах к банкам памяти период обращения (Тпобр) равен циклу памяти (Типам) плюс время до начала выполнения следующей команды. Страничная память — способ организации виртуальной памяти, при котором единицей отображения виртуальных адресов на физические является регион постоянного размера (т. н. страница).

n n n Адрес, используемый в машинном коде, то есть значение указателя, называется «виртуальный адрес» . Адрес, выставляемый процессором на шину, называется «физический адрес» . Так как 64 строк таблицы явно недостаточно для реальных задач, в архитектуре используются таблицы страниц, размещённые в основной памяти. Каждая таблица страниц сама является страницей с теми же требованиями по выравниваю и тем же размером, и состоит за записей таблицы страниц (page table entries — PTE).

n n • • • Широко используется и отображение самой таблицы страниц как одной из страниц данных для внесения изменений в записи. Запись таблицы страниц обычно содержит в себе следующую информацию: флаг «страница отображена» физический адрес флаг «страница доступна из режима пользователя» . При не установке данного флага страница доступна только из режима ядра.

• • • флаг «страница доступна только на чтение» . В некоторых случаях используется только для режима пользователя, то есть в режиме ядра все страницы всегда доступны на запись. флаг «страница недоступна на исполнение» . режим использования КЭШа для страницы. Влияет на тип шинных транзакций, инициируемых процессором при обращении через данную запись. Особенно часто используется для видеопамяти (комбинированная запись) и для отображенных в память регистров устройств (полное отсутствие кэширования).

n n n Старшие биты виртуального адреса указывают на номер записи в директории, средние — номер записи в таблице, младшие (адрес внутри страницы) попадают в физический адрес без трансляции. Формат записей таблиц, их размер, размер страницы и организация таблиц зависит от типа процессора, а иногда и от режима его работы. Некоторые процессоры (MIPS) не имеют обращающегося к таблице микрокода, и генерируют отказ страницы сразу после неудачи поиска в TLB, обращение к таблице и ее интерпретация возлагаются уже на обработчик отказа страницы. Это лишает таблицы страниц требования соответствовать жёстко заданному на уровне аппаратуры формату.

n • • • Причины отказа страницы (page fault): не существует таблицы, отображающей данный регион PTE не имеет взведённого флага «страница отображена» . попытка обратиться из пользовательского режима к странице «только для ядра» . попытка записи в страницу «только для чтения» . попытка исполнения кода из страницы «исполнение запрещено» . Обработчик отказов в ядре может загрузить нужную страницу из файла или же из области подкачки, может создать доступную на запись копию страницы «только для чтения» , а может и возбудить исключительную ситуацию (в терминах UNIX — сигнал SIGSEGV) в данном процессе.

n На рис. приведена временная диаграмма работы памяти в страничном режиме. Страничный режим работы памяти предполагает работу микросхем памяти в страничном режиме, когда адрес страницы (строки) защелкивается в 512 -разрядную защелку по сигналу -RAS и затем доступ к памяти осуществляется путем выбора данных из защелки по сигналам –СAS.

n n В этом режиме есть возможность выбора из защелки строки последовательных адресов колонок без дополнительного перезаряда строки. Период перезаряда строки наступает только при переходе в другую страницу или при регенерации динамического ОЗУ. Поскольку время перезаряда столбца (Теп) мало, появляется возможность быстрого выбора нужной колонки внутри выбранной строки. Обычно время доступа к памяти в страничном режиме составляет половину времени выбора в обычном режиме.

n n Динамическая оперативная память ( Dynamic RAM – DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти персональных компьютеров. Основное преимущество этого типа памяти состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т. е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а заначит, на их основе можно построить память большей емкости. Ячейки памяти в микросхеме DRAM – это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т. е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут “стекать”, и данные будут потеряны.

n n Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеет контроллер памяти ( обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, ращвную 15 мкс. Регенерация памяти, к сожалению, “отнимает время” у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора.

n n В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% процессорного времени, но в современных системах, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторых ячейках памяти заряд “стечет”, а это вызовет сбой памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти.

n Транзистор для каждого однозарядного регистра DRAM использует для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет – записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, к потере данных.

n n Существует тип памяти, совершенно отличный от других, - статическая оперативная память (Static RAM – SRAM). Она названа так потому, что, в отличии от динамической оперативной памяти , для сохранения ее содержимого не требуется переодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры. Время доступа SRAM не более 2 нс, это означает, что такая память может работать синхронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше.

n n Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из 6 транзисторов. Использование транзисторов без каких либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено. Микросхемы SRAM не используются для всей системной памяти потому, что по сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее намного ниже, а цена довольно высокая.

n n Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластиризованное их размещение не только увеличивает габариты SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM. Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в современных персональных компьютерах обычно предусмотрены два типа кэшпамяти: кэш-память первого уровня (L 1) и кэшпамять второго уровня (L 2).

n n Кэш-память первого уровня также называется встроенным, или внутренним кэшем; он непосредственно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора. Кэш-память второго уровня называется вторичным, или внешним кэшем; он устанавливается вне микросхемы процессора.

Таблица 1. 1 – Сравнение динамической и статической памяти Тип Быстр Плот Стоимос оде нос ть йст ть вие Динамическая Низкое Высо Низкая оперативная кая память DRAM Статическая Высок Низка Высокая оперативная ое я память. SRAM

n Элементарной ячейкой статического ОЗУ с произвольной выборкой является триггер на транзисторах Т 1 -Т 4 (рис. 1. 5) с ключами Т 5 -Т 8 для доступа к шине данных. Причем Т 1 -Т 2 - это нагрузки, а Т 3 -Т 4 - нормально закрытые элементы.

n Постоянные запоминающие устройства (ROM) применяются в компьютерах потому, что они сохраняют данные при выключении питания. Побочным эффектом этого свойства оказывается невозможность записи. Существует довольно много типов микросхем ROM. Чем ближе микросхема к возможности перепрограммирования, тем при прочих равных условиях она дороже. Самыми дешевыми являются обычные ROM, запись в которые осуществляется в ходе технологического процесса производства и в дальнейшем изменить их содержимое невозможно. Эти ROM экономичны только при заказе в больших количествах.

n n Указанные EPR 0 M имеют байтовую структуру данных, а информационная емкость их составляет от 16 К бит до 256 К бит. В современных компьютерах наибольшее распространение получили и EPR 0 M емкостью 256 К бит. Микросхемы программируемых ROM (PROM) выпускаются "чистыми" и допускают запись с помощью программатора. После того как PROM запрограммировано, стереть его содержимое невозможно. Микросхемы стираемых PROM (EPR 0 M) имеют небольшое окно, через которое их содержимое можно стереть ультрафиолетовым светом. После стирания их можно перепрограммировать с помощью программатора. Эти EPR 0 M получили широкое применение в персональных ЭВМ для инициализации системы по включению питания.

n Рис. 1. 6. - Структура микросхем EPR 0 M

n Для программы инициализации используется четное количество микросхем EPR 0 M в целях выравнивания ширины потока данных микропроцессора и памяти, а также для достижения нужного объема. При использовании EPR 0 M емкостью 256 К бит достаточно использовать две микросхемы, поскольку BIOS в PC XT/AT занимает 64 К байт.

n Схема подключения микросхем ROM к шине приведена на рис.

n n Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи). Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных. Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip). В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэшпамяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры.

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками, каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

n n Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5 -10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков). Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10 -20 и более раз) меньше энергии во время работы.

n В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.