Общие сведения. Статическая память (Static Random Access Memory – SRAM) способна сколь угодно долго хранить данные в отсутствие обращений (при наличии питающего напряжения), т.е. в статическом режиме. Ячейки статической памяти строятся на элементах с двумя устойчивыми состояниями (на бистабильных ячейках или триггерах). По сравнению с динамическими емкостными элементами памяти они проще в управлении и не требуют регенерации, однако являются более сложными в схемном отношении и занимают больше места на кристалле. Быстродействие и энергопотребление статической памяти определяются технологией изготовления и схемотехникой запоминающих ячеек. Самая экономичная КМОП-память (CMOS Memory) пригодна для длительного хранения данных при питании от маломощной батареи. Она применяется в памяти конфигурации персональных компьютеров. Время доступа КМОП-памяти составляет более 100 нс. Самая быстродействующая статическая память имеет время доступа в несколько наносекунд (и даже десятых долей наносекунды). Такая память способна функционировать на частоте системной шины совместно с процессором, не требуя от него тактов ожидания.

Типовой объем памяти современных микросхем SRAM достигает 1 Мбит и более. Существуют три разновидности микросхем статической памяти: Async SRAM, Sync Burst SRAM и Pipelined Burst SRAM. Относительно высокая удельная стоимость хранения данных при низкой плотности упаковки не позволяет использовать SRAM в качестве основной памяти компьютеров.

Во избежание увеличения стоимости в компьютерах устанавливается небольшой объем высокоскоростной статической памяти SRAM, которая используется в качестве кэша. Кэш-память способна работать на тактовых частотах, близких или равных тактовым частотам процессора. Поэтому она непосредственно используется процессором при чтении и записи, что позволяет сократить количество его простоев и увеличить быстродействие компьютера в целом. Контроллер кэша предугадывает потребности процессора в данных и предварительно загружает необходимые данные в высокоскоростную кэш-память. При выдаче процессором адреса памяти данные передаются не из медленной оперативной памяти, а из кэша.

Для сокращения времени ожидания и простоев процессора при считывании данных из низкоскоростной оперативной памяти в современных компьютерах предусмотрено до трех уровней кэша. При этом кэш-память первого и второго уровней может располагаться на одном кристалле с процессором. Использование синхронной работы с процессором и конвейерного пакетного режима сопутствует повышению быстродействия и эффективности кэш-памяти. Возможности и эффективность кэш-памяти предопределяет контроллер, который располагается в микросхемах (обычно North Bridge) системной логики или на плате процессора.

Таким образом, к основным особенностям статических ОЗУ следует отнести:

• способность при включенном компьютере сколь угодно долго хранить данные (информацию) в отсутствие обращений. Такая способность обеспечивается бистабильными ячейками памяти с двумя устойчивыми состояниями, которые выполняются на биполярных или КМОП-структурах;
• сравнительно высокое быстродействие микросхем на биполярных структурах (время доступа составляет единицы наносекунд), позволяющее работать синхронно с процессорами на частотах выше 500 МГц;
• низкое энергопотребление КМОП-микросхем, обеспечивающее длительное хранение параметров системы ввода-вывода (BIOS);
• сравнительно большие габариты микросхем и высокая стоимость , что связано с большим числом транзисторов и кластеризованным их размещением (используются кластеры из шести транзисторов);
• типовой объем памяти микросхем SRAM достигает 1 Мбит и более;
• основная область применения – кэш-память и память конфигурации компьютера.

Схемы, в которых в качестве запоминающей ячейки используется параллельный регистр называются статическим оперативным запоминающим устройством - статическим ОЗУ (RAM - random access memory - память с произвольным доступом), т.к. информация в нем сохраняется все время, пока к микросхеме ОЗУ подключено питание. В отличие от статической ОЗУ в микросхемах динамического ОЗУ постоянно требуется регенерировать их содержимое, иначе информация будет испорчена.В современной компьютерной системе используется память различного типа: статическая (SRAM), динамическая (DRAM), постоянная память, перепрограммируемая постоянная память и некоторые другие виды памяти.

Но, основной памятью компьютера, определяющей всю его работу, является оперативная память - ОЗУ. Главное требование к памяти:

• максимальный объем
• максимальное быстродействие
• максимальная надежность

Первоначально оперативная память была статического типа . Ячейка ОЗУ строилась на базе транзисторного каскада, который мог содержать до 10 транзисторов. Быстродействие у статической памяти было высокое, поскольку время переключения транзисторов из одного состояния в другое очень мало. Однако, такое количество транзисторов в расчете на одну ячейку памяти занимало довольно большой физический объем, т.е., "втиснуть" большой объем памяти в малое физическое пространство оказалось невозможным. Второй неприятной особенностью статического массива памяти стал тот факт, что транзисторы потребляют относительно большой уровень энергии, что также накладывает свои ограничения на максимальный объем памяти. Указанных выше недостатков лишена динамическая память , ячейка которой состоит из конденсатора и управляющего транзистора. Когда конденсатор заряжен - это одно логическое состояние, когда разряжен - другое. Двух состояний вполне достаточно, поскольку компьютерная система работает с двоичным кодом (сигнал либо есть - логическая "1", либо сигнала нет - логический "0"). Конденсатор и транзистор занимают места гораздо меньше, чем несколько транзисторов. Энергопотребление такого тандема тоже гораздо ниже. Но, с быстродействием возникают проблемы. Тут причин несколько:

• разряд/заряд конденсатора - процесс более длительный, чем простое переключение транзистора;
• у конденсатора существует ток утечки, который тем больше (в относительных единицах), чем меньше емкость конденсатора. Поэтому, для нормальной работы динамической памяти требуется периодическая регенерация памяти (подзаряд конденсаторов), что усложняет электрическую схему работы динамической памяти.

Но, поскольку, основополагающим требованием для оперативной памяти является ее объем (современные модули памяти имеют объем в несколько Гб), то динамическая память оказалась предпочтительней, несмотря на то, что она работает медленнее и имеет сложную схему управляющего контроллера.

Основой ячейки памяти в ЗУ статического типа является триггер. В качестве базовых элементов для реализации триггера могут использоваться как биполярные транзисторы, так и полевые. Однако первые не нашли широкого применения в силу большой потребляемой мощности построенных на их основе микросхем памяти. Поэтому оптимальным является использование полевых транзисторов. На рис.1 представлен триггер на МОП-транзисторах с индуцируемым p-каналом. Для отпирания такого транзистора напряжение на его затворе относительно истока должно быть меньше нуля: U зи <0.

Рис. 1 - Принципиальная схема ячейки ОЗУ статического типа.

В микросхемах ОЗУ присутствуют две операции: операция записи и операция чтения. Для записи и чтения информации можно использовать различные шины данных (как это делается в сигнальных процессорах), но чаще используется одна и та же шина данных. Это позволяет экономить внешние выводы микросхем, подключаемых к этой шине и легко осуществлять коммутацию сигналов между различными устройствами.

Структурная схема статического ОЗУ приведена на рисунке 2. Вход и выход ОЗУ в этой схеме объединены при помощи шинного формирователя . Естественно, что схемы реальных ОЗУ будут отличаться от приведенной на этом рисунке. Тем не менее, приведенная схема позволяет понять как работает реальное ОЗУ. Условно-графическое обозначение ОЗУ на принципиальных схемах приведено на рисунке 3.

Рис. 2 - Структурная схема ОЗУ (RAM)

Сигнал записи WR позволяет записать логические уровни, присутствующие на информационных входах во внутреннюю ячейку ОЗУ (RAM). Сигнал чтения RD позволяет выдать содержимое внутренней ячейки памяти на информационные выходы микросхемы. В приведенной на рисунке 1 схеме невозможно одновременно производить операцию записи и чтения, но обычно это и не нужно.

Конкретная ячейка ОЗУ выбирается при помощи двоичного кода - адреса ячейки. Объем памяти ОЗУ (RAM) зависит от количества ячеек, содержащихся в ней или, что то же самое, от количества адресных проводов. Количество ячеек в ОЗУ можно определить по количеству адресных проводов, возводя 2 в степень, равную количеству адресных выводов в микросхеме:

Вывод выбора кристалла CS микросхем ОЗУ позволяет объединять несколько микросхем для увеличения объема памяти ОЗУ. Такая схема приведена на рисунке 3.

Рис. 3 - Схема ОЗУ, построенного на нескольких микросхемах памяти.

Статические ОЗУ требуют для своего построения большой площади кристалла, поэтому их ёмкость относительно невелика. Статические ОЗУ применяются для построения микроконтроллерных схем из-за простоты построения принципиальной схемы и возможности работать на сколь угодно низких частотах, вплоть до постоянного тока. Кроме того статические ОЗУ применяются для построения КЭШ-памяти в универсальных компьютерах из-за высокого быстродействия статического ОЗУ.

Большинство из применяемых в настоящее время типов микросхем оперативной памяти не в состоянии сохранять данные без внешнего источника энергии, т.е. являются энергозависимыми (volatile memory). Широкое распространение таких устройств связано с рядом их достоинств по сравнению с энергонезависимыми типами ОЗУ (non-volatile memory): большей емкостью, низким энергопотреблением, более высоким быстродействием и невысокой себестоимостью хранения единицы информации.

Энергозависимые ОЗУ можно подразделить на две основные подгруппы: динамическую память (DRAM - Dynamic Random Access Memory) и статическую память (SRAM - Static Random Access Memory).

Статическая и динамическая оперативная память

В статических ОЗУ запоминающий элемент может хранить записанную информацию неограниченно долго (при наличии питающего напряжения). Запоминающий элемент динамического ОЗУ способен хранить информацию только в течение достаточно короткого промежутка времени, после которого информацию нужно восстанавливать заново, иначе она будет потеряна. Динамические ЗУ, как и статические, энергозависимы.

Роль запоминающего элемента в статическом ОЗУ исполняет триггер. Такой триггер представляет собой схему с двумя устойчивыми состояниями, обычно состоящую из четырех или шести транзисторов (рис. 5.7). Схема с четырьмя транзисторами обеспечивает большую емкость микросхемы, а следовательно, меньшую стоимость, однако у такой схемы большой ток утечки, когда информация просто хранится. Также триггер на четырех транзисторах более чувствителен к воздействию внешних источников излучения, которые могут стать причиной потери информации. Наличие двух дополнительных транзисторов позволяет в какой-то мере компенсировать упомянутые недостатки схемы на четырех транзисторах, но, главное - увеличить быстродействие памяти.

Рис. 5.7. Запоминающий элемент статического ОЗУ

Запоминающий элемент динамической памяти значительно проще. Он состоит из одного конденсатора и запирающего транзистора (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Запоминающий элемент динамического ОЗУ

Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе интерпретируются как 1 или 0 соответственно. Простота схемы позволяет достичь высокой плотности размещения ЗЭ и, в итоге, снизить стоимость. Главный недостаток подобной технологии связан с тем, что накапливаемый на конденсаторе заряд со временем теряется. Даже при хорошем диэлектрике с электрическим сопротивлением в несколько тераом (10 12 Ом) используемом при изготовлении элементарных конденсаторов ЗЭ, заряд теряется достаточно быстро. Размеры у такого конденсатора микроскопические, а емкость имеет порядок 1СГ 15 Ф. При такой емкости на одном конденсаторе накапливается всего около 40 000 электронов. Среднее время утечки заряда ЗЭ динамической памяти составляет сотни или даже десятки миллисекунд, поэтому заряд необходимо успеть восстановить в течение данного отрезка времени, иначе хранящаяся информация будет утеряна. Периодическое восстановление заряда ЗЭ называется регенерацией и осуществляется каждые 2-8 мс,

В различных типах ИМС динамической памяти нашли применение три основных метода регенерации:

Одним сигналом RAS (ROR - RAS Only Refresh);

Сигналом CAS, предваряющим сигнал RAS (CBR - CAS Before RAS);

Автоматическая регенерация (SR - Self Refresh).

Регенерация одним RAS использовалась еще в первых микросхемах DRAM. На шину адреса выдается адрес регенерируемой строки, сопровождаемый сигналом RAS. При этом выбирается строка ячеек и хранящиеся там данные поступают на внутренние цепи микросхемы, после чего записываются обратно. Так как сигнал CAS не появляется, цикл чтения/записи не начинается. В следующий раз на шину адреса подается адрес следующей строки и т. д., пока не восстановятся все ячейки, после чего цикл повторяется. К недостаткам метода можно отнести занятость шины адреса в момент регенерации, когда доступ к другим устройствам ВМ блокирован.

Особенность метода CBR в том, что если в обычном цикле чтения/записи сигнал RAS всегда предшествует сигналу CAS, то при появлении сигнала CAS первым начинается специальный цикл регенерации. В этом случае адрес строки не передается, а микросхема использует свой внутренний счетчик, содержимое которого увеличивается на единицу при каждом очередном CBR-цикле. Режим позволяет регенерировать память, не занимая шину адреса, то есть более эффективен.

Автоматическая регенерация памяти связана с энергосбережением, когда система переходит в режим «сна» и тактовый генератор перестает работать. При отсутствии внешних сигналов RAS и CAS обновление содержимого памяти методами ROR или CBR невозможно, и микросхема производит регенерацию самостоятельно, запуская собственный генератор, который тактирует внутренние цепи регенерации.

Область применения статической и динамической памяти определяется скоростью и стоимостью. Главным преимуществом SRAM является более высокое быстродействие (примерно на порядок выше, чем у DRAM). Быстрая синхронная SRAM может работать со временем доступа к информации, равным времени одного тактового импульса процессора. Однако из-за малой емкости микросхем и высокой стоимости применение статической памяти, как правило, ограничено относительно небольшой по емкости кэш-памятью первого (L1), второго (L2) или третьего (L3) уровней. В то же время самые быстрые микросхемы динамической памяти на чтение первого байта пакета все еще требуют от пяти до десяти тактов процессора, что замедляет работу всей ВМ. Тем не менее благодаря высокой плотности упаковки ЗЭ и низкой стоимости именно DRAM используется при построении основной памяти ВМ.

"Научно-технические статьи" - подборка научно-технических статей радиоэлектронной тематики: новинки электронных компонентов , научные разработки в области радиотехники и электроники , статьи по истории развития радиотехники и электроники , новые технологии и методы построения и разработки радиоэлектронных устройств, перспективные технологии будущего, аспекты и динамика развития всех направлений радиотехники и электроники , обзоры выставок радиоэлектронной тематики.

Компания АМIС Technology уже достаточно известна на российском рынке микросхем памяти. Будучи последователем знаменитой UMC Group, компания AMIC Technology продолжает идти "на гребне волны" в производстве полного спектра продукции памяти. Что же касается применения микросхем памяти, то говорить об этом много нет смысла - она применяется везде. И если с постоянной памятью все более или менее понятно, то выбор оперативной памяти является довольно сложной задачей. Сколько существует микросхемотехника, столько же существует вопрос, что лучше - медленная, трудноуправляемая, но дешевая динамическая память, либо быстрая, напрямую сопрягаемая с процессором, но дорогая статическая память? Возможно, теперь есть компромиссное решение.

Принципы работы статической памяти

Статическая память называется статической именно потому, что информация в ней "статична", то есть, что я туда положил, то я оттуда и возьму через любой промежуток времени. Такая статичность достигается за счет использования в качестве базового элемента обычного триггера, собранного, например, на паре транзисторов.

P-N переходы транзисторов, на которые поданы постоянные смещения, надежно держат разность потенциалов, либо питание, либо землю (без учета падения напряжения на самом переходе), и возможно лишь два стабильных состояния, условно называемые "0" и "1". Располагаются транзисторы на кремниевой подложке, внутри которой формируются P-N переходы.

Таким образом, простейшим статическим элементом памяти емкостью 1 бит можно считать триггер, построенный на четырех P-N переходах. Теперь, если эти триггеры рассортировать, скажем, по 8, и на каждый из них вывести ножку дешифратора 3x8, то получится простейшая ячейка памяти емкостью 1 байт, которую уже можно адресовать, подав соответствующее значение на дешифратор. Выстроив линейку из таких дешифраторов, и применив к ней дешифратор более высокого порядка, мы уже получим полноценную микросхему статической памяти. Скорость выборки данных из статической памяти будет определяться лишь временем переходного процесса в полупроводниках, а скорость эта довольно большая. Поэтому время доступа к статической памяти исчисляется единицами наносекунд. Что же касается энергопотребления, то оно будет определяться, в основном, током через P-N переходы. Ну и, наконец, наиболее привлекательной стороной статической памяти является возможность прямого сопряжения с процессором, так как адресация осуществляется напрямую по шине адреса с указанием номера (адреса) ячейки.

При всех плюсах, у статической памяти есть достаточно серьезные недостатки. Что же получится, если мы захотим сделать статическую память очень большого объема? Для этого, помимо монтажа огромного количества триггеров, нужно как-то выворачиваться с дешифратором на огромное количество выводов. Не для кого не секрет, что сложность дешифратора растет с увеличением количества адресуемых объектов. Дешифратор 1x2 выполняется на одном триггере с прямым и инверсным выходами, 2x4, уже на 4-х элементах, а попробуйте сделать дешифратор 10x1024! А это всего 1 килобит! Применяется каскадирование дешифраторов, но от этого страдает скорость. Сделать можно, конечно же, все, но за это надо платить, что и доказывается стоимостью быстрой статической памяти большого объема.

Принципы работы динамической памяти

Еще Майкл Фарадей, проводя опыты по прохождению электрического тока через конденсатор, заметил, что последний способен хранить информацию о начальных условиях. Это свойство конденсатора, или просто емкости, и используется при построении элемента динамической памяти. Рассмотрим незаряженный конденсатор, когда разность потенциалов между его клеммами равна нулю. Приложим на некоторое время к конденсатору напряжение, равное напряжению питания. А что значит "некоторое время"? А это такое время, за которое заряд успеет перетечь с входных клемм на обкладки конденсатора. По истечению этого времени отключим конденсатор от нашего источника. Теоретически этот конденсатор будет хранить наше напряжение бесконечно долго, таким образом становясь подобным триггеру на двух транзисторах.

Все это было бы хорошо, если бы не реальная жизнь. В качестве диэлектрика используется оксидная пленка какого-нибудь металла (скажем, алюминия). Эта диэлектрическая пленка обладает хоть и малой, но проводимостью, а следовательно, конденсатор начинает разряжаться через эту оксидную пленку, тем самым выделяя на ней тепло и теряя информацию. Как только напряжение на емкости достигает минимально допустимого значения, мы вновь подключаем к конденсатору наше напряжение питания и вновь заряжаем его, после чего отводим клеммы. Вот эта процедура и есть всем известная и ненавистная процедура регенерации динамической памяти, которую каждый определенный промежуток времени проводит контроллер динамической памяти.

Для адресации динамической памяти используются не прямые адресные сигналы процессора, а адресные сигналы процессора, пропущенные через контроллер динамической памяти и еще сигналы CAS и RAS, вырабатываемые контроллером. Динамическая память имеет матричный принцип строения, и сигнал CAS стробирует выборку колонки, а сигнал RAS стробирует выборку ряда в этой колонке. Без сигналов CAS и RAS динамическая память становится бесполезной, так как способна хранить информацию без регенерации всего в течение нескольких микросекунд. На первый взгляд, в динамической памяти все плохо: и использование внешнего контроллера, и сложность управления. Но есть и значительные плюсы. Выполнить матрицу конденсаторов значительно проще, чем матрицу триггеров, достаточно "вставить" диэлектрики в нужных местах, а значит, динамическая память будет значительно дешевле статической. При необходимости создания динамической памяти большого объема тоже нет проблем, надо "вставить" диэлектрики чаще и быстрее проводить регенерацию. Поэтому динамическая память и получила большее распространение, чем статическая.

Динамическое ядро + статический интерфейс = SuperRAM

Когда-нибудь все мечты становятся реальностью. Мечтал человек получить динамическую память со статическим интерфейсом - и получил SuperRAM от AMIC Technology. Идея здесь предельно проста. Если для управления динамической памятью требуется дополнительный контроллер, то почему бы не встроить его в саму микросхему памяти. У читателя резонно возникнет вопрос: зачем это нужно? Ведь в современных микропроцессорах и микроконтроллерах есть интерфейсы динамической памяти? Отвечаю: да, вы правы, но микроконтроллеры, имеющие этот интерфейс, резко выделяются ценой, естественно в большую сторону. Далее, в подавляющем большинстве случаев это 32-разрядные процессоры, работающие с большой тактовой частотой, и применение к ним динамической памяти по меньшей мере нецелесообразно (если, конечно, не требуется больших объемов). Третье: большинство приложений до сих пор остались восьми-и шестнадцатиразрядными, где и контроллера DRAM нет, и быстродействие соответствующее, а вот объемы памяти зачастую требуются очень даже значительные. Вот именно для таких применений и существует SuperRAM от компании AMIC Technology.

Работа подобной памяти достаточно проста. Процедура регенерации динамического ядра SuperRAM происходит автоматически по истечению определенного времени (когда значения напряжения на емкостях упадут ниже критических), и стробирование происходит постоянно. При запросе процессором определенной ячейки адрес ее приходит на входной буфер микросхемы SuperRAM. И дальше, с первым же сигналом стробирова-ния отправляется к ядру SuperRAM, из которого и происходит выборка значений. Для процессора не имеет значения, что к нему подключена динамическая память, он работает с ней как с менее быстрой статической. Преимущества SuperRAM налицо: прямое сопряжение с совершенно любым процессором или устройством, у которого есть шина данных, адреса и сигналы выбора и записи, не требуется подключения дополнительного контроллера, осуществляющего регенерацию, большой объем за счет присутствия динамического ядра, низкая стоимость. Для примера приведем технические характеристики одного из последних представителей семейства SuperRAM от AMIC Technology - микросхемы A64E16161:

1. Объем: 32 Мбит, организованных 2 Мх 16 бит.
2. Время доступа по адресу: 70 нс.
3. Время доступа к странице: 25 нс.
4. Рабочий ток 20 мА, ток режима standby 10 мкА.
5. Полная совместимость с интерфейсом SRAM. Не требуется регенерации или стробирования.
6. Напряжение питания от 1,65 до 2,2 В.

Будущее SuperRAM

Сказать, что у подобного решения есть будущее - это ничего не сказать. Сейчас компания AMIC Technology достигла рубежа 32 Мбит, но не намерена на этом останавливаться. Уже в начале 2004 года, используя технологию 0,13 мкм, планируется начать серийное производство микросхем серии SuperRAM емкостью 64 Мбит. Время доступа также будет существенно уменьшено, а питание 2,0 В для микросхем памяти является одной из передовых возможностей. По своим возможностям и по стоимости такие продукты могут создать конкуренцию уже имеющимся модулям памяти, таким как SIMM, DIMM, SDRAM и даже DDR, что является немаловажным при проектировании систем нового поколения.

Статическая и динамическая оперативная память

Глава 7. Запоминающие устройства ПК

После изучения главы вы должны знать:

запоминающие устройства трех уровней внутренней памяти ПК: микропроцессорную, основную и буферную кэш-память, их назначение, основные характеристики;

физическую и логическую структуру основной памяти, ее модули:SIPP,SIMM, DIMM и типы: DRAM, SDRAM, DRDRAM, DDRDRAM;

методы адресации ячеек основной памяти;

принципы организации виртуальной памяти;

назначение кэш-памяти разных уровней.

Персональные компьютеры имеют три основных уровня памяти:

l микропроцессорная память (МПП);

l основная память(ОП);

l внешняя память (ВЗУ).

К этим уровням добавляется промежуточная буферная или кэш-память. Кроме этого многие устройства ПК имеют собственную локальную память.

Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) трех основных типов памяти приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Сравнительные характеристики запоминающих устройств

Быстродействие первых двух типов запоминающих устройств измеряется временем обращения (t обр) к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств - двумя параметрами: временем доступа (t дост) и скоростью считывания (V счит):

l t обр - сумма времени поиска, считывания и записи информации (в литературе это время часто называют временем доступа, что не совсем строго);

l t дост - время поиска информации на носителе;

l V счит - скорость последовательного считывания смежных байтов информации.

Напомним общепринятые сокращения: с - секунда, мс - миллисекунда, мкс - микросекунда, нс - наносекунда; 1с = 10 6 мс = 10 6 мкс = 10 9 нс.

Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может формироваться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory - DRAM) или статического (Static Random Access Memory - SRAM) типа.

Память статического типа обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже DRAM. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров - схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго - необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых областей с накоплением зарядов - своеобразных конденсаторов, - занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки), затем, через некоторое время - адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти - динамическая. На подзаряд тратится и энергия и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Кэш-память

Кэш-память имеет несколько уровней. Уровни l1, L2 и L3 это регистроваякэш-память - высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы - быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

l в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

l в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, параллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня - L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у МП Pentium и Pentium Pro емкость этой памяти небольшая - по 8 Кбайт, у следующих версий МП Pentium по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на MB относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1–2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2–5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса, и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПКрост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память L1, L2, L3 на основе микросхем статической памяти.

В современных ПК применяется и кэш-память между внешними запоминающими устройствами на дисках и оперативной памятью, обычно относящаяся к 3-му уровню, реже, если есть кэш L3 на системной плате, к 4-му уровню. Кэш-память для ВЗУ создается либо в поле оперативной памяти, либо непосредственно в модуле самого ВЗУ.

Основная память

При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания.