Лекция по Вычислительной технике на тему "Микросхемы памяти"

Микросхемы памяти (или просто память, или запоминающие устройства — ЗУ, английское "Memory") представляют собой следующий шаг на пути усложнения цифровых микросхем по сравнению с микросхемами, рассмотренными ранее. Память — это всегда очень сложная структура, включающая в себя множество элементов. Правда, внутренняя структура памяти — регулярная, большинство элементов одинаковые, связи между элементами сравнительно простые, поэтому функции, выполняемые микросхемами памяти, не слишком сложные.

Память, как и следует из ее названия, предназначена для запоминания, хранения каких-то массивов информации, проще говоря, наборов, таблиц, групп цифровых кодов. Каждый код хранится в отдельном элементе памяти, называемом ячейкой памяти. Основная функция любой памяти как раз и состоит в выдаче этих кодов на выходы микросхемы по внешнему запросу. А основной параметр памяти — это ее объем, то есть количество кодов, которые могут в ней храниться, и разрядность этих кодов.

Для обозначения количества ячеек памяти используются следующие специальные единицы измерения:

·                    1К — это 1024, то есть 2¹⁰ (читается "кило-"" или "ка-"), примерно равно одной тысяче;

·                    1М — это 1048576, то есть 2²⁰ (читается "мега-"), примерно равно одному миллиону;

·                    1Г — это 1073741824, то есть 2³⁰ (читается "гига-"), примерно равно одному миллиарду.

Принцип организации памяти записывается следующим образом: сначала пишется количество ячеек, а затем через знак умножения (косой крест) — разрядность кода, хранящегося в одной ячейке. Например, организация памяти 64Кх8 означает, что память имеет 64К (то есть 65536) ячеек и каждая ячейка — восьмиразрядная. А организация памяти 4М х 1 означает, что память имеет 4М (то есть 4194304) ячеек, причем каждая ячейка имеет всего один разряд. Общий объем памяти измеряется в байтах (килобайтах — Кбайт, мегабайтах — Мбайт, гигабайтах — Гбайт) или в битах (килобитах — Кбит, мегабитах — Мбит, гигабитах — Гбит).

В зависимости от способа занесения (записи) информации и от способа ее хранения, микросхемы памяти разделяются на следующие основные типы:

·                    Постоянная память ( ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, ROM — Read Only Memory — память только для чтения), в которую информация заносится один раз на этапе изготовления микросхемы. Такая память называется еще масочным ПЗУ. Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому ее еще называют энергонезависимой памятью.

·                    Программируемая постоянная память (ППЗУ — программируемое ПЗУ, PROM — Programmable ROM), в которую информация может заноситься пользователем с помощью специальных методов (ограниченное число раз). Информация в ППЗУ тоже не пропадает при выключении ее питания, то есть она также энергонезависимая.

·                    Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом), запись информации в которую наиболее проста и может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении всего срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания.

Существует множество промежуточных типов памяти, а также множество подтипов, но указанные — самые главные, принципиально отличающиеся друг от друга. Хотя, разница между ПЗУ и ППЗУ с точки зрения разработчика цифровых устройств, как правило, не так уж велика. Только в отдельных случаях, например, при использовании так называемой флэш-памяти (flash-memory), представляющей собой ППЗУ с многократным электрическим стиранием и перезаписью информации, эта разница действительно чрезвычайно важна. Можно считать, что флэш-память занимает промежуточное положение между ОЗУ и ПЗУ.

В общем случае любая микросхема памяти имеет следующие информационные выводы (рисунок 1):

Рисунок 1 - Микросхемы памяти: ПЗУ (а), ОЗУ с двунаправленной шиной данных (б), ОЗУ с раздельными шинами входных и выходных данных (в)

·                    Адресные выводы (входные), образующие шину адреса памяти. Код на адресных линиях представляет собой двоичный номер ячейки памяти, к которой происходит обращение в данный момент. Количество адресных разрядов определяет количество ячеек памяти: при количестве адресных разрядов n количество ячеек памяти равно 2ⁿ.

·                    Выводы данных (выходные), образующие шину данных памяти. Код на линиях данных представляет собой содержимое той ячейки памяти, к которой производится обращение в данный момент. Количество разрядов данных определяет количество разрядов всех ячеек памяти (обычно оно бывает равным 1, 4, 8, 16).

·                    В случае оперативной памяти, помимо выходной шины данных, может быть еще и отдельная входная шина данных, на которую подается код, записываемый в выбранную ячейку памяти. Другой возможный вариант — совмещение входной и выходной шин данных, то есть двунаправленная шина, направление передачи информации по которой определяется управляющими сигналами. Двунаправленная шина применяется обычно при количестве разрядов шины данных 4 или более.

Управляющие выводы (входные), которые определяют режим работы микросхемы. В большинстве случаев у памяти имеется вход выбора микросхемы CS (их может быть несколько, объединенных по функции И). У оперативной памяти также обязательно есть вход записи WR, активный уровень сигнала на котором переводит микросхему в режим записи

Микросхемы оперативной памяти DDR SDRAM выпускались в корпусах TSOP и корпусах типа BGA (FBGA), производятся по нормам 0,13 и 0,09-микронного техпроцесса:

·         Напряжение питания микросхем: 2,6 В ± 0,1 В.

·         Потребляемая мощность: 527 мВт.

·         Интерфейс ввода-вывода: SSTL_2.

Ширина шины памяти составляет 64 бита, то есть по шине за один такт одновременно передаётся 8 байт. В результате получаем следующую формулу для расчёта максимальной скорости передачи для заданного типа памяти: (тактовая частота шины памяти) x 2 (передача данных дважды за такт) x 8 (число байтов передающихся за один такт). Например, чтобы обеспечить передачу данных дважды за такт, используется специальная архитектура «2n Prefetch». Внутренняя шина данных имеет ширину в два раза больше внешней. При передаче данных сначала передаётся первая половина шины данных по фронту тактового сигнала, а затем вторая половина шины данных по спаду.

Характеристики памяти. Частота и тайминги

Память характеризуется прежде всего типом. Для настольных компьютеров (десктопов) сегодня используются типы памяти: DDR, DDR2, DDR3.

Основной характеристикой памяти является ее частота. Чем частота больше, тем память считается быстрее. Но эту частоту должны поддерживать процессор и материнская плата, иначе память будет работать на более низкой частоте

Модули памяти, как и ее типы имеют свою маркировку, которая начинается на PC, PC2 и PC3 соответственно.

Частота оперативной памяти не обязательно должна совпадать, материнская плата выставит для всех планок частоту по самому медленному модулю, но очень часто компьютер с планками разной частоты работает нестабильно. Например может вообще не включится.

Следующим параметром быстродействия памяти являются так называемые задержки (тайминги). Грубо говоря – это время, которое прошло от момента обращения к памяти до момента выдачи ей нужных данных. Соответственно, чем меньше тайминги – тем лучше. Существуют десятки различных задержек при чтении, записи, копировании и различных комбинаций этих и других операций. Но основных, по которым можно ориентироваться всего несколько.

Тайминги указываются (правда не всегда) на этикетке модулей памяти в виде 4 цифр с дефисами между ними. Первый и самый главный – латентность, остальные производные от нее.

Задержки зависят от качества изготовления чипов памяти. Соответственно – выше качество-ниже тайминги-выше цена. Однако стоит заметить, что тайминги значительно меньше влияют на производительность, чем частота памяти. Обычно модули, имеющие сверхнизкие тайминги, позиционируются как топовые, идут в комплекте с радиаторами (о которых поговорим позже), в красивой упаковке и стоят гораздо дороже.

Тайминги тоже не обязательно должны совпадать. Материнская плата автоматом выставит тайминги для всех планок по самому медленному модулю. Проблем быть не должно

Оперативная память может работать в разных режимах, так называемых: Single Mode (одноканальный) и Dual Mode (двухканальный).

В одноканальном режиме данные записываются сначала в один модуль памяти, а когда его объем будет исчерпан начинает записываться на следующий свободный модуль.

В двухканальном режиме запись данных распараллеливается и записывается одновременно на несколько модулей.

Использование двухканального режима значительно повышает скорость работы памяти. Реально скорость работы памяти в двухканальном режиме до 30% выше, чем в одноканальном. Но для того, что бы он работал необходимо соблюсти следующие условия:

- материнская плата должна поддерживать двухканальный режим работы с ОЗУ

- модулей памяти должно быть 2 или 4

- модули памяти должны быть либо все односторонние, либо все двухсторонние

При несоблюдении какого - либо из этих условий память будет работать только в одноканальном режиме.

Модули памяти изготавливает множество производителей. И, как всегда, они имеют разное качество. Следует обратить внимание на следующие бренды, имеющие оптимальное соотношение цена/качество:  AMD, Crucial, Goodram , Hynix, Kingston, Micron, Patriot, Samsung, TakeMS, Transcend.  К брендам для энтузиастов относятся: Corsair, G.Skill, Mushkin, Team. Эти фирмы производят большой ассортимент модулей с радиаторами и повышенными техническими характеристиками. Рекомендую избегать дешевых китайских брендов: A-Data, Apacer, Elixir, Elpida, NCP, PQI и других мало известных производителей.

Отдельного упоминания заслуживают модули памяти, которые производятся не в Китае. В настоящее время таких не много, например модули, которые маркируются как Hynix Original и Samsung Original производятся в Корее. Качество таких модулей считается выше, стоят они чуть дороже, но обычно имеют более длительную гарантию (до 36 месяцев).

Краткое описание документа:

Лекция содержит основное назначение микросхем памяти, основные характеристики, классификацию микросхем оперативной памяти. Также представлены условные графические обозначения микросхем памяти и указаны назначения выводов. Описан принцип организации памяти

Приведены основные единицы измерения информации и их производные