Основной особенностью DRAM является динамическое хранение данных. Это даёт возможность многократно записывать информацию в оперативную память, но при этом возникает необходимость постоянно обновлять данные. Фактически перезапись происходит каждые 15 мкс. Существует также статическая оперативная (или кеш) память (S-RAM), не требующая постоянного обновления данных. И один и другой вид функционирует только при включённом компьютере. Оперативная память физически представляет собой набор микросхем, которые подключаются к системной плате. Поскольку характеристики этих микросхем весьма различны, то для нормальной работы они должны быть совместимы с системой.
В настоящее время используются запоминающие устройства трёх типов: ROM (read only memory), DRAM (Dynamic Random Access Memory), S-RAM (Static RAM).
В настоящее время DRAM используется в большинстве современных компьютеров. Главное преимущество этого типа памяти заключается в чрезвычайно плотной упаковке ячеек, что позволяет создавать память большой ёмкости, при этом само устройство занимает очень мало места. Каждая ячейка это микро конденсатор, который удерживает заряды (наличием или отсутствием зарядов и кодируются биты информации). Главная проблема такой памяти это необходимость постоянно регенерировать заряд иначе конденсатор «стечёт», что приведёт к потере данных. За обновление которых и, следовательно, сохранность отвечает встроенный контролёр с частотой регенерации 15 мкс. В современных компьютерах, работающих на сверхвысоких частотах, процесс регенерации отнимает не более 1 % времени работы процессора. Поэтому нет смысла увеличивать время между циклами - на работу процессора это существенно не повлияет, и к тому же может примести к разрядке конденсатора и, как следствие, к потере данных.
Особенности DRAM
Структура памяти напоминает таблицу, где сначала выбирают строку, а затем столбец. Эта таблица разбита на банки. Памяти плотностью меньше 64 Мбит (SDRAM) имеет 2 банка, выше - 4. В частности память DDR2 SDRAM предусматривает 4-битную предварительную систему выборки. Работает DDR2 на напряжении 1,8 В. Кстати первые DDR работали на напряжении 2,6 В. В последнее время всё большую популярность приобретает стандарт DDR3, который имеет 8-битовую систему выборки и работает на напряжнии 1,5 В. При этом обеспечивает ту же пропускную способность при вдвое меньшей тактовой частоте. На открытие строки в используемом банке уходит больше времени, нежели в другом (так как используемую строку нужно сначала закрыть). Очевидно, что лучше новую строку открывать в новом банке (на этом основан принцип чередования строк). Популярность DRAM объясняется её относительной дешевизной и чрезвычайно плотной упаковкой ячеек микросхем, что позволяет небольшому устройству иметь очень большую ёмкость. К недостаткам относится невысокое быстродействие, которое намного медленнее процессоров. Чтобы обойти этот недостаток существует несколько типов организации DRAM.
Тайминги
Обычно на микросхеме памяти или в документации к ней есть надпись из четырёх цифр вида 3-4-4-8 или 5-5-5-15. Это сокращенная запись основных таймингов памяти. Тайминг - это задержка, устанавливающая время, необходимое на выполнение какой-либо команды, то есть время от отправки команды до ее выполнения. А каждая цифра обозначает какое именно время необходимо. Схема таймингов включает в себя задержки CL-Trcd-Trp-Tras. Для работы с памятью необходимо для начала выбрать чип, с которым мы будем работать. Делается это командой CS# (Chip Select). Затем выбирается банк и строка. Перед началом работы с любой строкой необходимо ее активировать. Делается это командой выбора строки RAS# (при выборе строки она активируется). Затем нужно выбрать столбец командой CAS#, которая и инициирует чтение. Затем считать данные и закрыть строку, совершив предварительный заряд (precharge) банка.
Динамическая память любого типа, в отличие от статической, даже при подаче питающих напряжений не обладает способностью хранить свою информацию сколь угодно долго. Состояние элементарной ячейки динамической памяти определяется наличием или отсутствием заряда на конденсаторе, и этот заряд подвержен утечке. Поэтому для сохранения данных в динамической памяти ее ячейки необходимо периодически подзаряжать, что и составляет суть процесса регенерации. Как это происходит, чуть ниже.
При выполнении операции чтения регенерация выполняется автоматически. Полученные на усилителе сигнала данные тут же записываются обратно. Считается, что такой алгоритм позволяет уменьшить число требуемых регенераций и увеличить быстродействие. Но это совершенно не так! Считывается ли информация из памяти или нет, "частота" регенерации при этом не меняется. Она либо вообще не регулируется (нет соответствующих опций в "BIOS Setup"), либо является строго фиксированной после соответствующиих установок.
Возможны три различных метода регенерации данных.
Регенерация одним RAS (RAS Only Refresh - ROR). Этот метод использовался еще в первых микросхемах DRAM. Адрес регенерируемой строки передается на шину адреса и выдается сигнал RAS (точно так же, как при чтении или записи). При этом выбирается строка ячеек, и данные из них поступают на внутренние цепи микросхемы, после чего записываются обратно. Так как далее сигнал CAS не следует, цикл чтения/записи не начинается. Затем передается адрес следующей строки и так далее, пока не будет пройдена вся матрица памяти, после чего цикл регенерации повторяется. К недостаткам этого метода можно отнести то, что занимается шина адреса, и в момент регенерации блокируется доступ к другим подсистемам компьютера.
CAS перед RAS (CAS Before RAS - CBR) - стандартный метод регенерации. При нормальном цикле чтения/записи сигнал RAS всегда приходит первым, за ним следует CAS. Если же CAS приходит раньше RAS, то начинается специальный цикл регенерации - CBR. При этом адрес строки не передается, а микросхема использует свой внутренний счетчик, содержимое которого увеличивается на 1 при каждом CBR-цикле (т.н. инкрементирование адреса строки). Этот режим позволяет регенерировать память, не занимая шину адреса, что, безусловно, более экономично.
Автоматическая регенерация памяти (Self Refresh - SR, или саморегенерация). Этот метод обычно используется в режиме энергосбережения, когда система переходит в состояние "сна" ("suspend"), и тактовый генератор перестает работать. В таком состоянии обновление памяти по вышеописанным методам невозможно (попросту отсутствуют источники сигналов), и микросхема памяти выполняет регенерацию самостоятельно. В ней запускается свой собственный генератор, который тактирует внутренние цепи регенерации. Такая технология работы памяти была внедрена с появлением EDO DRAM. Необходимо отметить, что в режиме "сна" память потребляет очень малый ток.
В классической реализации PC AT запросы на регенерацию DRAM генерировал канал 1 системного таймера 8254. К его выходу подключен триггер, работающий в счетном режиме и меняющий свое состояние на противоположное при каждом запросе. Состояние этого триггера можно программно считывать через бит 4 порта 61h. Проверка Refresh Toggle
заключалась в проверке того факта, что этот триггер переключается с заданной частотой. Но со временем стали применяться другие алгоритмы регенерации памяти (что и изложено выше), и несмотря на то, что Refresh Toggle
сохраняется для совместимости, по нему уже нельзя проверить формирование запросов на регенерацию. Циклы регенерации выполняет входящий в состав чипсета контроллер регенерации, который для выполнения своей задачи должен получать управление магистралью каждые 15,6 мкс. Во время цикла регенерации производится чтение одной из N ячеек памяти.
Burst Refresh
- (пакетная регенерация). Как правило, трактовка этой опции в литературе носит ошибочный характер. При разрешении опции ("Enabled") в единый пакет собираются запросы на регенерацию, причем такое пакетирование может в некоторых случаях обеспечивать аккумулирование запросов по всему объему строк в памяти. Такой метод ведет к значительному повышению производительности, но есть и обратная сторона. На достаточно длительные промежутки времени и постоянно происходит захват шины памяти, что приводит к блокировке доступа к ней процессора или других устройств.
Опция может называться "DRAM Burst Refresh".
CAS Before RAS Refresh
Метод регенерации памяти, когда сигнал CAS устанавливается раньше сигнала RAS. В отличие от стандартного способа регенерации, этот метод не требует перебора адресов строк извне микросхем памяти - используется внутренний счетчик адресов. Однако, этот способ регенерации должен поддерживаться микросхемами памяти. Если раньше можно было встретить фразы, что большинство модулей памяти поддерживает такой метод регенерации, то сейчас это уже стандартное аппаратное решение. Использование этого метода позволяет заметно снизить потребляемую модулями памяти энергию. Может принимать значения:
"Enabled" - разрешено,
"Disabled" - запрещено.
Опция может называться "CAS Before RAS".
CAS-to-RAS Refresh Delay
Действие этой опции возможно при включенном состоянии предыдущей (или аналогичной), так как в данном случае устанавливается время задержки между стробирующими сигналами (в тактах системной шины). Естественно, что установка меньшего значения приводит к снижению времени, затрачиваемого на регенерацию. Большее же значение повышает надежность, т.е. достоверность данных, находящихся в памяти. Оптимальный вариант для данной системы выбирается опытным путем. Может принимать значения: "1T", "2T" (по умолчанию).
Concurrent Refresh
- (паpаллельная, или конкурирующая pегенеpация). При активизации этой опции как аппаратные средства регенерации, так и центральный процессор получают одновpеменный доступ к памяти. При этом процессору не нужно будет ожидать, пока произойдет регенерация. При установке опции в "Disabled" пpоцессоp должен будет ждать, пока схема pегенеpации не закончит pаботу. Естественно, что включение опции повышает производительность системы.
Decoupled Refresh
- (раздельная регенерация). Поскольку ISA-шина имеет невысокую скорость работы, то включение этой опции ("Enabled") позволит чипсету разделить регенерацию для основной памяти и ISA-шины. При этом процесс регенерации для ISA-шины может быть завершен во время выполнения процессором других инструкций. Использование этой опции заметно увеличивает производительность всей системы. Опция эта играла заметную роль во времена 486-х машин.
Но могла возникнуть и проблема, которая заключалась в том, что некоторые карты расширения (обычно, видеокарты) требовали к себе внимания процессора во время начального цикла регенерации шины. Естественно, что это могло привести к нежелательным сбойным ситуациям. Отключение опции могло потребоваться также, если при работе с графическими режимами высокого разрешения на экране монитора появлялись какие-то символы или "снег". При этом необходимо было отключать и такой метод работы с памятью, как "Memory Relocation" (см. выше). Сказанное выше было характерно, например, для видеокарт на чипе S3 801 (таких, как SPEA V7 Mirage), работающих совместно с некоторыми картами-контроллерами производства "Adaptec" с расширенной ROM-памятью, необходимой для обслуживания жестких дисков объемом свыше 1 ГБ.
Опция может называться "Decoupled Refresh Option".
Distributed Refresh
- (распределенная регенерация). Не совсем ясно, что "прячется" под этой опцией, хотя есть предположение, что это аналог "раздельной регенерации". В свое время данную опцию можно было встретить в системах на чипсетах от "VIA Technologies". Значения опции: "Disabled" и "Enabled".
DRAM Ahead Refresh
Опция, позволяющая включать ("Enabled") режим "предвидения" для цикла регенерации. Суть этого "предвидения" станет более понятна из следующей опции, которая становится активной при включении разрешения.
x DRAM Ahead Refresh Timing
- данная же опция по сути позволяет "отодвинуть" начало цикла регенации на 10 или 40 системных тактов. Небольшое, но все же повышение производительности. Столь уникальные опции были реализованы в системах на наборе SIS540 и более пока нигде не встречались.
DRAM Burst at 4 Refresh
Эта опция также связана с пакетной регенерацией, но суть ее иная. Разрешение опции ("Enabled") включает регенерацию по 4 строки в пакете. Такой метод заметно повышает производительность. При этом шина освобождается намного быстрее, чем в случае с опцией "Burst Refresh".
DRAM CAS# Precharge
- (время предварительного заряда CAS). Эта функция применяется при наличии в системе синхронной динамической памяти, и с ее помощью устанавливается (в тактах системной шины) время для формирования сигнала CAS (накопления заряда по CAS) до начала цикла регенерации памяти (см. ниже дополнительно "DRAM RAS# Precharge Time"). Уменьшение этого значения увеличивает быстродействие, но возможны проблемы со стабильностью системы, если в то же время установлены "пограничные" значения для RAS-строба. Если установлено слишком малое значение (время), также и регенерация может оказаться незавершенной, что в итоге приведет к потере данных, находящихся в памяти.
Опция может иметь наименования: "CAS# Precharge", "CAS# Precharge Time", "FPM CAS# Precharge", "FPM DRAM CAS Precharge", "EDO/FPM CAS Precharge Time", "EDO CAS# Precharge", "EDO DRAM CAS Precharge".
Большим разнообразием значений все перечисленные опции не отличаются. "1T", "2T" или такой ряд: "1T", "1T/2T", "2T". Некоторое разнообразие внесла опция "CAS Precharge Period": "1T", "2T", "3T", "4T".
DRAM RAS Only Refresh
Включение/отключение метода обновления DRAM, альтернативного методу "CAS-before-RAS". Если BIOS содержит другие возможности по регенерации памяти, то эту опцию необходимо отключить. В противном случае придется использовать этот устаревший метод обновления памяти.
DRAM RAS# Precharge Time
- (время предварительного заряда RAS). Эта функция применяется при наличии в системе синхронной динамической памяти и она позволяет устанавливать время (в тактах системной шины) для формирования сигнала RAS (иногда говорят о накоплении заряда по RAS) до начала цикла регенерации памяти. Фактически, тем самым устанавливается минимальный интервал между двумя последовательными циклами чтения или записи. Уменьшение этого значения увеличивает быстродействие. Но если установлено недостаточное время, регенерация может быть некомплектной, что в итоге приведет к потере данных, находящихся в памяти. Естественно, что за повышением частоты, на которой работает память, следует и выбор большего значения, что важно при разгоне памяти. Возможные значения могут быть представлены в различном виде: в виде цифровых значений - "3", "4" и т.д.; с указанием системных тактов - "3 Clocks" или "1T". А обобщенный ряд значений имеет следующий вид: 0T, 1T, 2T, 3T, 4T, 5T, 6T, хотя в каждом конкретном варианте может быть представлено 2-4 значения.
Опция может иметь множество названий: "DRAM RAS# Precharge Period", "RAS# Precharge Time", "RAS Precharge Timing", "RAS# Precharge Period", "FPM DRAM RAS# Precharge", "FPM RAS Precharge", "RAS# Precharge", "DRAM RAS Precharge", "EDO RAS Precharge", "EDO RAS# Precharge Time", "EDO RAS Precharge Timing", "FPM/EDO RAS# Precharge Time", "EDO/FPM RAS Precharge Time".
Как видим, опция не потеряла своей актуальности с появлением EDO-памяти и, что интересно, затем также BEDO- и SDRAM- модулей, поскольку данный параметр является одной из важнейших характеристик чипов памяти: "BEDO RAS Precharge", "SDRAM RAS Precharge Time".
Правда, кроме привычных параметров типа "3T" или "2 Clks" (эти значения и характерны для SDRAM-модулей) в различных версиях BIOS стали "встречаться" новые виды значений, таких как: "Same as FPM" и "FPM-1T", "Fast" и "Normal", "Fast" и "Slow". Для последней пары параметров "Slow" (медленно) равносильно увеличению количества тактов, что повышает стабильность работы системы, поэтому значение "Fast" следует устанавливать в случае уверенности в качестве модулей памяти. Что же касательно первой пары, то для опций вида "FPM DRAM RAS# Precharge" ряд значений мог иметь вид: 2T, 3T, 4T, 5T, 6T, а отсюда и возможный результат для SDRAM-памяти, хотя совершенно не очевидный.
Вполне возможна и ситуация, когда версия BIOS предоставляет возможность установки каких-либо параметров для каждого банка памяти в отдельности. Поскольку речь идет о "предзаряде" для RAS#-строба, то опция (опции!) может называться "Bank 0&1 (2&3)(4&5): EDO/SDRAM Precharge" со значениями: "3T/2T", "4T/3T".
"AMI BIOS" для "своей" опции "SDRAM RAS# Precharge" предложил дополнительное значение "Auto". Правда, один из вариантов опции "SDRAM RAS Precharge" представил и значения "Disabled"/"Enabled". Запрещать опцию можно только в случае абсолютной уверенности в модулях памяти, иначе неприятностей не избежать. Раз коснулись возможности запрещать/разрешать механизм предзаряда, то нужно отметить и возможность включать ("Enabled") оптимизацию предзаряда - "SDRAM: Optimal RAS# Prech.".
Для данной опции (опций!) необходимо отметить пару важных моментов. Нельзя путать данную опцию с опциями типа "Refresh RAS Active Time", которые отвечают за длительность сигнала RAS#. В нашем случае речь идет как бы о подготовительном процессе. И второе! Данную опцию совершенно правильно было бы разместить и в разделе, посвященном стандартной оптимизации памяти (см. ниже). Процедуры выставления сигнала RAS# и при регенерации, и при операциях чтения/записи идентичны.
В завершение вышесказанного опция "RAS# Precharge/Refresh" со значениями "3T/4T" и "4T/5T". Данной опцией устанавливаются одновременно и время подготовительной фазы, и общее время активности сигнала RAS# для цикла регенерации.
DRAM Refresh Method
Опция установки метода регенерации. Опция может называться также "Refresh Type", "DRAM Refresh Type", "DRAM Refresh Mode" или "Refresh Type Select". При любых вариациях опция, как правило, среди возможных параметров содержит только два параметра. Приводим весь возможный ряд: "CAS before RAS" (или "CAS-RAS"), "RAS only", "RAS# Before CAS#", "Normal", "Hidden".
DRAM Refresh Period
Установка периода (частоты повтора), требуемого для регенерации памяти, в соответствии со спецификацией модулей памяти. В новейших версиях BIOS такая опция может и не присутствовать, хотя ее наличие в современной системе по прежнему позволяет оптимизировать процесс регенерации. Ранее такая опция предлагала пользователю широкий простор для творчества: в зависимости от версии BIOS и его производителя, чипсета, модулей памяти. Опция могла также носить название "Refresh Cycle Time (us)", "DRAM Refresh Cycle Time", "Memory Refresh Rate", "DRAM Refresh Rate Select", "DRAM Refresh Rate","SDRAM Refresh Rate" или просто - "DRAM Refresh". Вот неполный перечень значений, с которыми мог встретиться пользователь:
"For 50 MHz Bus", "For 60 MHz Bus", "For 66 MHz Bus", "Disabled" (такой необычный вариант встретился в системе на i430FX),
"50/66 MHz", "60/60 MHz", "66/66 MHz",
"15 us", "30 us", "60 us", "120 us",
"Disabled" (или "No Refresh"), "15.6 us", "31.2 us", "62.4 us", "124.8 us", "249.6 us",
"15.6 us", "31.2 us", "62.4 us", "125 us", "250 us",
"15.6 us", "62.4 us", "124.8 us", "187.2 us",
"1040 Clocks", "1300 Clocks",
"15.6 us", "7.9 us", "FR 128 CLKs" (понятно, что речь идет о частоте - "frequency"),
"Disabled", "Normal",
"Fast", "Slow",
"Faster", "Slower",
"Disabled" (устанавливаются стандартные 15,6 мкс), "Enabled" (соответствует удвоению частоты).
Остается отметить, что чем реже производится регенерация памяти, тем эффективнее работает система. Но если явно наблюдаются нарушения в работе системы, то частоту обновления необходимо повысить. Значение "Disabled", появляющееся в некоторых версиях, не должно использоваться. В противном случае следует ожидать потери информации в памяти. И наконец, если пользователь видит на экране перед собой целый ряд значений для выбора, то это может означать, что в состав чипсета входит специальный конфигурационный регистр, в котором три разряда (или менее) "отданы" под возможные комбинации устанавливаемой частоты.
Как дополнение к изложенному рассмотрим еще некоторые опции и чипсеты, для которых они были реализованы:
"DRAM Refresh Ratery Time" (SIS530) - "15.6 us", "7.8 us", "3.9 us",
"Refresh Rate" (AMD751) - "20.4 us", "15.3 us", "10.2 us", "5.1 us".
Опция "Refresh Mode Select", несмотря на некоторое несоответствие в названии, предложила значения "7.8 ?sec", "15.6 ?sec", "64 ?sec", а опция "Refresh Interval" - "7.8 ?sec", "15.6 ?sec", "31.2 ?sec", "64 ?sec", "128 ?sec".
Вот тут и может возникнуть, с одной стороны, мнимое несоответствие, а с другой, некоторое непонимание сути представленных опций. Ведь в названиях опций упоминаются и "частота", и "период", и "интервал", и "время цикла". Поэтому требуется дополнительное разъяснение.
Понятно, что одновременно регенерировать всю динамическую память невозможно. Допустимо также говорить о построчной регенерации матрицы памяти (об этом см. выше). Тогда можно ввести сразу два понятия. Первое - временной интервал между регенерацией, например, соседних строк. Второе - время полного цикла регенерации, т.е. время, через которое необходимо будет снова регенерировать условную начальную строку. "Обычный" чип памяти содержит 4096 строк. Можно утверждать, что общее время цикла регенерации составляет 64 мсек (один из стандартов JEDEC). И тогда упомянутый интервал (период) регенерации составляет:
64000: 4096 = 15.6 ?sec.
Это означает, что каждые 15,6 мкс контроллер памяти инициирует цикл регенерации отдельной строки памяти. И это значение характерно для тех же модулей DIMM емкостью 128 Mbit или меньше. Если же речь идет о модулях емкостью 256 Mbit и более, то количество строк составит 8192 и интервал регенерации 7.8 ?sec, обусловленный сохранением времени общего цикла в 64 мсек. Если же в системе используются модули различной емкости, то временная характеристика регенерации устанавливается по модулю большей емкости, т.е. с более высокой частотой.
Необходимо отметить, что применявшиеся ранее модули памяти во многих случаях позволяли удлинить цикл регенерации, т.е. увеличить ее интервал, тем самым несколько повышая производительность системы.
И, конечно же, картина была бы неполной, если бы мы не вспомнили о RAMBUS DRAM
. Мы не будем детально останавливаться на архитектуре этого типа памяти, напомним только, что структура и организация банков памяти носит многоканальный характер. Причем каждый канал данных представляет собой шину шириной всего в один (!) байт. Но за счет высокопроизводительного конвейера, высокоскоростной внутренней магистрали, синхронизируемой собственным тактовым генератором, пропускная способность шины памяти уже доведена до 3,2 ГБ/сек. Ну а теперь опция - "RDRAM Refresh Rate, Channel N", и ее значения: "No refresh", "1.95 us", "3.9 us", "7.8 us".
DRAM Refresh Queue
Этот параметр во включенном состоянии допускает использование более эффективного метода обновления памяти. Дело в том, что чипсет способен формировать последовательность нескольких запросов обновления памяти, пока шина процессора не будет готова к выполнению следующей операции. Речь здесь идет об использовании режима конвейеризации запросов на регенерацию памяти. "Enabled" разрешает постановку в очередь, как правило, 4 запросов регенерации памяти. Установка в "Disabled" означает отключение конвейеризации, что естественно снижает эффективность и приводит к проведению всех циклов регенерации либо по приоритету запросов, либо в соответствии с методами, изложенными в других опциях.
Данный режим должен быть всегда включен. "Enabled" устанавливается и по умолчанию. Одно условие! Установленные модули памяти должны поддерживать это свойство, большинство современных типов памяти поддерживают этот метод. Более того! Использование столь эффективного метода регенерации зависит и от реализации чипсетом таких функций, и от версии BIOS. В таком явном, "пользовательском", виде такая опция повстречалась в "AMI BIOS".
Опция может называться также "DRAM Refresh Queing".
DRAM Refresh Queue Depth
Данная опция позволяет установить степень ("глубину") конвейеризации, т.е. количество возможных ступенек конвейера. Чем выше это число, тем большее количество запросов на регенерацию в данное время находится в обработке. Возможные значения, что естественно зависит от указанных выше реализаций и возможностей, имеют вид:
"0" (равносильно "Disabled"), "4", "8", "12" (по умолчанию).
Опция может называться также "Refresh Queue Depth".
Extended Refresh
- (расширенная регенерация). Введение (в свое время) этой опции в BIOS предполагало использование специальных EDO-чипов. Регенерация содержимого ячеек EDO DRAM при этом стала производиться через 125 мкс, а не через каждые 15,6 мкс, как при стандартной регенерации. Это несколько повысило общее быстродействие памяти.
Fast DRAM Refresh
- (быстрая регенерация DRAM). Контроллер памяти предоставляет два режима регенерации памяти: стандартный (Normal) и скрытый (Hidden). В каждом из режимов CAS-строб выставляется перед RAS-сигналом, однако в режиме "Normal" для каждого строб-импульса выделяется дополнительный такт процессора. Это старый метод обновления памяти, и поэтому имеет смысл установить значение данного параметра в "Hidden", который обеспечивает и повышенное быстродействие, и большую эффективность (см. ниже), также и по причине того, что CAS-строб может и не выставляться - быть "скрытым".
Hidden Refresh
- (скpытая pегенеpация). Когда установлено значение "Disabled", память регенерируется по IBM AT методологии, используя циклы процессора для каждой регенерации. Когда опция "Hidden Refresh" установлена в "Enabled", контроллер памяти "ищет" наиболее удобный момент для регенерации, независимо от циклов CPU. При этом регенерация происходит одновременно с обычным обращением к памяти. Алгоритм регенерации памяти при этом многовариантен: разpешаются циклы pегенеpации в банках памяти, не используемых центральным процессором в данный момент, взамен или вместе с ноpмальными циклами регенерации, выполняемыми всякий pаз (каждые 15 мс) пpи опpеделенном пpеpывании (DRQ0), вызванном таймеpом и инициируемом схемой регенерации.
Для регенерации каждый pаз тpебуется до 4 мс. В течение этих 4 мс один цикл pегенеpации пpимеpно каждые 16 мкс pегенеpиpует по 256 стpок памяти (здесь и выше приведены характеристики для модулей памяти малой емкости). Каждый цикл pегенеpации занимает столько же или чуть меньше вpемени, чем один цикл чтения памяти, т.к. сигнал CAS для pегенеpации при этом не тpебуется.
"Hidden refresh" отличается максимальной скоростью и эффективностью, наименьшими нарушениями активности системы и наименьшими потерями производительности, также позволяя поддерживать состояние памяти во время нахождения системы в режиме "suspend". Этот режим более быстрый, чем "Burst Refresh". Но наличие в BIOS этой функции еще не означает ее реализации. После установки опции в "Enabled" стоит тщательно проверить работоспособность компьютера. Некотоpые модули памяти позволяют использовать "Hidden Refresh", некотоpые - нет. В большинстве случаев pекомендуется установить в "Enabled".
Hi-Speed Refresh
С помощью этой опции чипсет быстрее проведет регенерацию основной памяти. Правда, эффект от этой установки значительно меньше, чем от включения "Slow Refresh". Последний режим регенерации предпочтительнее. К тому же эта функция поддерживается не всеми чипами памяти.
ISA Refresh
Опция разрешения/запрещения проведения регенерации памяти для ISA-шины. В таком виде эта опция уже не встречалась даже в последние годы существования ISA-шины.
ISA Refresh Period
Установка периодичности для регенерации ISA-шины. Возможный ряд значений: "15 us", "30 us", "60 us", "120 us".
ISA Refresh Type
Опция с установкой метода регенерации памяти для ISA-шины. Возможные значения параметра: "Normal" и "Hidden". Аналогичная опция с названием "ISA Bus Refresh Mode" могла предложить другие значения: "Slow" и "Fast".
PCI-to-DRAM RAS# Precharge
Тема "предзаряда" уже достаточно нами освоена, поэтому стоит лишь сказать кратко о назначении данной опции - установка времени "предзаряда" строба RAS# при циклах записи PCI-шины в основную динамическую память. Значения опции: "2T", "3T".
RAS Precharge @Access End
Когда выбрано "Enabled", RAS#-строб остается в активном состоянии в конце процесса "предзаряда". Если же установлено "Disabled", RAS# переводится в пассивное состояние (высокий уровень).
RAS Timeout
Когда установлено значение "Disabled", цикл регенерации динамической памяти производится в стандартном режиме, т.е. каждые 15,6 мкс. Дополнительный цикл регенерации памяти вставляется при выборе значения "Enabled".
Ref/Act Command Delay
- (установка задержки для цикла чтения/записи). Параметром выбирается время задержки между окончанием цикла регенерации и началом цикла чтения или записи. Опция может принимать значения: "5T", "6T" (по умолчанию), "7T", "8T".
Система на наборе SIS530 предложила опцию под названием "DRAM Refresh/Active Delay" с чуть более консервативными значениями: "9T", "8T", "7T", "6T". Более развитый чипсет (SIS540) представил уже две опции: "DRAM REF/ACT Delay" ("10T", "9T") и "DRAM ACT/REF Delay" ("10T", "9T", "8T"). Понятно, что последняя опция предназначена для выбора задержки для режима регенерации после окончания цикла чтения/записи. Меньшие значения, конечно, более предпочтительны. Данная опция уже не встречается в современных системах.
Refresh During PCI Cycles
Опция, разрешающая/запрещающая проведение регенерации памяти во время циклов чтения/записи на шине PCI. Может принимать значения:
"Enabled" - разрешено,
"Disabled" - запрещено.
Refresh RAS# Assertion
- (установка периода активности сигнала RAS). Этим параметром устанавливается длительность сигнала RAS (в тактах системной шины) для цикла регенерации. Меньшее значение увеличивает производительность системы. Но поскольку принимаемые значения определяются качеством памяти и чипсетом, то к их установке необходимо подходить осмотрительно. Может принимать значения: "4T" (или "4 Clks"), "5T" (или "5 Clks"). Могут быть и другие значения.
Опция может называться также "Refresh Assertion", "Refresh RAS Active Time" или "RAS Pulse Width Refresh".
Refresh Value
Данной опцией устанавливался множитель частоты регенерации. Меньшее значение увеличивало производительность системы за счет снижения частоты регенерации. Но при этом также оптимальный вариант мог быть достигнут только опытной проверкой. Значения опции могли быть выбраны из ряда: 1, 2, 4, 8, 16. Иногда можно было встретить и значение 0,5. Опция эта давно уже не встречается.
Опция может называться "Refresh Divider".
Refresh When CPU Hold
Довольно устаревшая опция, предлагавшая производить регенерацию ("Enabled") или не делать этого ("Disabled") во время пауз процессора.
SDRAM Idle Limit
Данная опция устанавливает количество "пустых" тактов ожидания перед перезарядкой SDRAM-модулей. Оптимальная установка позволяет улучшить производительность циклов чтения/записи путем настройки интервала времени, в течение которого банк памяти может оставаться "пустым" перед перезарядкой (recharging), т.е. перед перезаписью содержимого памяти обратно в ячейки. При этом данная установка не может функционировать как задержка цикла регенерации.
Уменьшение количества тактов с 8 (по умолчанию) до 0 означает, что банк SDRAM-памяти будет немедленно регенерироваться как только контроллер памяти выставит достоверный запрос. При увеличении "SDRAM Idle Limit" от 8 тактов и более перезарядка банка будет задержана на большее время, тем самым возрастет время "хранения" информации из памяти во внутренних цепях. Пришедшая в это время команда чтения/записи будет исполнена мгновенно. Тогда приходится признать, что эффективность памяти возрастет, когда банк более длительное время будет оставаться "пустым". Но всегда есть свое НО! Во внутренних цепях перезарядки не хранятся все строки банка памяти, а только регенерируемой строки. Поэтому пришедший запрос, например, на чтение некоторой строки наверняка не "попадет в точку", и системе придется ожидать завершения регенерации, особенно в случае завышенного значения параметра.
В основном приходится выбирать между значениями в пределах между 0 и 8-ю тактами, правда, насколько позволит это версия BIOS. Конечно, подобная настройка требует серьезной опытной проверки. Поэтому, если есть возможность управлять частотой регенерации, то данную опцию лучше заблокировать. Опытным специалистам можно порекомендовать "поиграть" с двумя характеристиками.
Опция может называться "DRAM Idle Timer". Указанные опции предложили два ряда значений:
"Disabled", "0 Cycle", "8 Cycles", "12 Cycles", "16 Cycles", "24 Cycles", "32 Cycles", "48 Cycles",
"0 clocks", "2 clocks", "4 clocks", "8 clocks", "10 clocks", "12 clocks", "16 clocks", "32 clocks".
Подобные опции достаточно редки. Но вот система на достаточно современном чипсете AMD751 предложила сразу две:
"Idle Precharge Limit" с рядом "0 cycles", "8 cycles", "12 cycles", "16 cycles", "24 cycles", "32 cycles", "48 cycles" и "No idle precharge" и "Extra High Idle Limit" со значениями "Disabled"/"Enabled". Последняя опция разрешает или запрещает вставку дополнительного такта ожидания.
SDRAM Precharge Control
- (управление предварительным зарядом SDRAM). Данная опция определяет, чем управляется "предзаряд" SDRAM - центральным процессором или самой SDRAM-памятью. В некоторых версиях BIOS такая опция может называться (трактоваться) как "SDRAM Page Closing Policy" ("метод закрытия страниц SDRAM" - см. дополнительно в следующем разделе). Если эта опция отключена ("Disabled"), то все циклы процессора к SDRAM завершаются командой "All Banks Precharge Command" в интерфейсе SDRAM-памяти, что улучшает стабильность, но понижает производительность памяти. Если же эта опция включена ("Enabled"), то предварительный заряд контролируется самими чипами памяти. Это уменьшает количество предзарядов SDRAM, значительно возрастает число циклов CPU-to-SDRAM до того момента, когда требуется регенерация памяти. Это однозначно ведет к повышению общей производительности системы, но может влиять на ее стабильность.
SDRAM Refresh
Опция выбора метода регенерации для SDRAM-памяти. Возможные варианты: "Serial" (последовательный перебор строк при регенерации) и "Simultaneous" (одновременная регенерация). При рассмотрении опции "Burst Refresh" уже отмечались недостатки пакетной регенерации, при которой в единый пакет собираются запросы на регенерацию. "Перезарядка" строк происходит мгновенно, но пока не завершится полная регенерация, доступ к шине памяти будет невозможен. Поэтому об оптимальной установке для конкретной системы можно будет говорить после экспериментальных тестов.
Данная опция была замечена в системах, построенных на чипсетах SIS620, SIS600 и некоторых других.
Self-Refresh
Опция включения режима "саморегенерации" основной памяти (если установлено "Enabled"). Этот режим подробно описан выше, в вводной статье.
Опция может называться также "EDO/FPM DRAM Self-Refresh".
Slow Refresh (1:4)
- (медленная pегенеpация). При включении этой опции ("Enabled") схема регенерации будет в 4 раза реже регенерировать память (64 мкс против 16), чем в обычном pежиме. При такой установке пpоизводительность системы повышается благодаpя уменьшению конкуpенции между CPU и схемой pегенеpации, однако не все типы динамических ОЗУ могут поддеpживать такие циклы (в этом случае будет получено сообщение об ошибке четности или о сбое системы). Тогда необходимо установить значение "Disabled". Опция в свое время получила распространение с развитием такого типа ПК, как "laptop" (дорожный ПК), в качестве энергосберегающей функции. В современных системах эта опция встречается все реже.
В свое время считалось также, что применение "медленной регенерации" будет достаточно эффективным при использовании 16-битных ISA-карт расширения, работающих в режиме "bus master". Поскольку сама ISA-карта может быть инициатором запроса на регенерацию, то понятно, что "медленная регенерация" в меньшей степени бы нарушала передачу данных по DMA-каналам.
Опция может называться также "DRAM Slow Refresh", "Slow Refresh" или "Slow Refresh Enable".
Опция может называться и "Slow Memory Refresh Divider". Но этой опцией устанавливался делитель для медленной регенерации: 1, 4, 16 или даже 64. Устанавливать самые большие значения, т.е. в максимальной степени снижать частоту регенерации, позволяла только специальная память.
Staggered Refresh
Трудно переводимый тип регенерации, что-то наподобие "регенерации с перекатыванием". Но этим непонятным термином обозначают "шахматную" регенерацию. Как известно, регенерация выполняется на банках памяти последовательно, с последовательным перебором строк. Но при наличии нескольких банков памяти и включении данной опции банки памяти регенерируются одновременно, но со сдвигом по перебору строк.
Данный тип регенерации позволяет сгладить броски потребления модулями памяти, выравнивая токи в процессе различных переключений. Так как уменьшаются броски тока, то такая регенерация эффективна с точки зрения снижения помех.
С помощью этой несколько устаревшей опции есть возможность установки временного интервала между регенерируемыми строками, измеряемого в системных тактах (0T, 1T, 2T, 3T, 4T, 5T, 6T, 7T). Установка в "0" позволяет регенерировать все строки в банках одновременно. Но опция может предложить и обычный набор значений: "разрешить применение"/"отказать" ("Enabled" и "Disabled").
Опция может называться также "Refresh Stagger" или "DRAM Refresh Stagger By".
Как указывалось ранее, динамическая память требует регенерации (восстановления) информации, производимой через каждые несколько мс. Это связано с тем, что для хранения одного бита информации в ней используется заряд на конденсаторе, который с течением времени рассасывается. Регенерация памяти заключается в том, что содержимое каждой строки микросхемы DRAM считывается, усиливается и записывается вновь на прежнее место. При регенерации доступ к памяти со стороны процессора или других устройств запрещен, что приводит к снижению производительности ЭВМ.
В соответствии с ранее рассмотренной организацией микросхемы DRAM для регенерации хранимой в ней информации, на микросхему необходимо подать адрес строки (в сопровождении строба RAS) и сигнал чтения. Упрощенная структура системы регенерации содержимого памяти DRAM, состоящей из 256 строк, приведена на рисунке 7.10.
Таймер интервала регенерации следит за своевременным проведением регенерации всех строк микросхем DRAM. Если требуемое время регенерации составляет 4 мс, то для регенерации каждой строки 256- строковой микросхемы DRAM сигнал регенерации (REFRESH) должен вырабатываться через каждые 15,6 мкс. В каждом цикле регенерации осуществляется восстановление содержимого одной строки. При выработке нового сигнала REFRESH содержимое счетчика адреса строки инкрементируется, после чего вырабатываются строб RAS и сигнал чтения памяти MEMR. Основные действия по регенерации содержимого очередной строки осуществляются
Рисунок 7.10 - Структура подсистемы регенерации динамической памяти
внутри самой микросхемы DRAM. Система регенерации отвечает лишь за своевременную регенерацию всех строк, выработку адреса очередной строки и необходимых управляющих сигналов.
КЭШ-память
Повышение производительности процессоров привело к тому, что основная память, построенная на микросхемах DRAM, стала замедлять дальнейшее повышение производительности ЭВМ в целом. Реализация ОП на микросхемах SRAM технически и экономически не оправдана, так как габариты и стоимость микросхем SRAM на 1 бит хранимой информации существенно выше, чем аналогичные показатели у DRAM. Разумным компромиссом для построения экономичных и быстродействующих систем явилось сочетание памяти большого объёма на DRAM и небольшой на микросхемах SRAM.
Слово Cache означает склад, тайник. КЭШ- память не имеет отдельного адресного пространства и не доступна для пользователя. Она является дополнительным и быстродействующим хранилищем копий тех областей информации ОП, к которым, вероятно, в ближайшее время будет обращение. В их число попадают в первую очередь области, примыкающие к выполняемой в данный момент команде, а во вторую – области связанные с ней командами перехода (см. рисунок 7.11).
Рисунок 7.11- Возможная область кэширования ОП
Приведенный рисунок, а также анализ хода выполнения различных программ показывают, что большую часть времени в них выполняются определенные группы команд, которые многократно повторяются. Это свойство программ называется локализацией ссылок. Локализация ссылок происходит во времени и в пространстве. Первое означает, что недавно выполненные команды скорее всего будут затребованы снова. Локализация в пространстве означает, что скорее всего в последующие моменты времени будут выполняться команды, расположенные (по значениям адресов) в непосредственной близости от выполняемой. Заметим, что последовательность выполнения команд для работы КЭШ- памяти не имеет значения.
КЭШ не может хранить копию всей основной памяти, так как её размер во много раз меньше ОП. Поэтому она хранит копии части содержимого ОП. Для записи информации о текущем соответствии содержимого КЭШ-памяти конкретным областям (блокам) ОП используется каталог, находящийся в дополнительной тэговой (ТЭГ) памяти, входящей в состав КЭШ- памяти. При обращении к ОП контроллер КЭШ- памяти (ККП) с помощью каталога в ТЭГ проверяет, есть ли копия затребованных данных (или команды) в КЭШе. Если она там есть, то это случай так называемого КЭШ- попадания и данные берутся из КЭШа. Если нет (случай КЭШ - промаха), то данные берутся из основной памяти, вводятся в процессор и записываются в КЭШ. При попадании в КЭШ время доступа к подсистеме памяти КЭШ+DRAM уменьшается и основная память представляется процессору более быстрой, чем есть на самом деле.
Типы оперативной памяти
Различают следующие типы оперативной памяти:
● DRDRAM и т. д.
FPM DRАМ
FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) - динамическая память с быстрым страничным доступом, активно используется с микропроцессорами 80386 и 80486. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержании RAS допускает многократную установку адреса столбца, стробируемого CAS. Это позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей. Существуют две разновидности FPM DRAM, различающиеся временем обращения: 60 и 70 нс. Ввиду своей медлительности они не эффективны в системах с процессорами уровня Pentium II. Модули FPM DRAM в основном выпускались в конструктиве SIMM.
RAM EDO (EDO - Extended Data Out, расширенное время удержания (доступности) данных на выходе) фактически представляет собой обычные микросхемы FPM, к которым добавлен набор регистров-защелок, благодаря чему данные на выходе могут удерживаться в течение следующего запроса к микросхеме. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходе содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память никакого выигрыша в быстродействии не дает. Память типа RAM EDO имеет минимальное время обращения 45 нс и максимальную скорость передачи данных по каналу процессор-память 264 Мбайт/с. Модули RAM EDO выпускались в конструктива SIMM и DIMM.
BEDO DRAM
ВЕDО DRАМ (Burst Extended Data OutPut, EDO с блочным доступом). Современные процессоры благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд
и данных обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной длины. Этот вид памяти позволяет обрабатывать данные пакетно (блоками) так, что данные считываются блоками за один такт. В случае памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек - достаточно стробировать переход к очередному слову блока. Этот метод позволяет BEDO DRAM работать очень быстро. Память BEDO РКАМ поддерживают некоторые чипсеты фирм VIA Apollo (580VP, 590VP, 680VP) и Intel (i480TX и т. д.) на частоте шины не выше 66 МГц. Активную конкуренцию этому виду памяти составляет память SDRAM, которая постепенно ее и вытесняет. BEDO DRAM представлена модулями и SIMM и DIMM.
SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная динамическая память), память с синхронным доступом, увеличивает производительность системы за счет синхронизации скорости работы ОЗУ со скоростью работы шины процессора. SDRAM также осуществляет конвейерную обработку информации, выполняя внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где удается исключить дополнительные такты ожидания. Память SDRAM может устойчиво функционировать на высоких частотах: выпускаются модули, рассчитанные на работу при частотах 100 МГц (спецификация РС100) и 133 МГц (РС133). В начале 2000 года фирма Samsung объявила о выпуске новых интегральных микросхем (ИС) SDRAM с рабочей частотой 266 МГц. Время обращения к данным в этой памяти зависит от внутренней тактовой частоты МП и достигает 5 - 10 нс, максимальная скорость передачи данных «процессор-память» при частоте шины 100 МГц составляет 800 Мбайт/с (фактически равна скорости передачи данных по каналу процессор-кэш). Память SDRAM дает общее увеличение производительности ПК примерно на 25%. Правда, эта цифра относится к работе ПК без кэш-памяти, - при наличии мощной кэш-памяти выигрыш в производительности может составить всего несколько процентов. SDRAM обычно выпускается в 168-контактных модулях типа DIMM и имеет 64-разрядную шину данных. Используется не только в качестве оперативной памяти, но и как память видео- адаптеров, где она полезна при просмотре живого видео и при работе с трехмерной графикой.
DDR SDRAM
DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM - SDRAM II). Вариант памяти SDRAM, осуществляющий передачу информации по обоим фронтам тактового сигнала. Это позволяет удвоить пропускную способность по сравнению с традиционной памятью SDRAM (до 1,6 Гбайт/с при частоте шины 100 МГц). Кроме того, DDR SDRAM может работать на более высокой частоте - в начале 2000 года были выпущены 143, 166 и 183 МГц 64-мегабитовые модули DDR
SDRAM. Модули DDR DRAM конструктивно совместимы с традиционными 168-контактными DIMM. Используются не только в качестве элементов оперативной памяти, но и в высокопроизводительных видеоадаптерах. Сейчас они ориентированы в первую очередь на рынок видеоадаптеров. В конце 2001 года компания Нуniх Semiconductor представила образец 128 Мбит DDR SDRAM (0,16 мкм). Его тактовая частота 375 МГц - самая высокая частота для DDR SDRAM на сегодняшний день (2003 год).
DRDRAM (Direct Rambus DRAM - динамическая память с прямой шиной для RAM) - перспективный тип оперативной памяти, позволивший значительно увеличить производительность компьютеров. Высокое быстродействие памяти Direct RDRAM достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах. В частности, применением собственной двухбайтовой шины Rambus с частотой 800 МГц, обеспечивающей пиковую пропускную способность до 1,6 Гбайт/с. Контроллер памяти Direct RDRAM управляет шиной Rambus и обеспечивает преобразование ее протокола с частотой 800 МГц в стандартный 64-разрядный интерфейс с частотой шины до 200 МГц. Фирма Intel выпустила чипсеты i820, i840, i850 с поддержкой DRDRAM. Модули Direct RDRAM - RIMM внешне подобны модулям DIM M.
В маркировке SDRAM и DRDRAM (часто именуемой также как RDRAM) обычно указывается рабочая частота модуля в виде, например, обозначения РС150, что для SDRAM означает пиковую пропускную способность 1200 Мбайт/с - такую же, как у PC600 для DRDRAM (ввиду малоразрядности шины последней). Правда, многие чипсеты (например i850) поддерживают двухканальный обмен с памятью DRDRAM, что удваивает ее пропускную способность.
Для DDRDRAM указание РС150 подразумевало бы пропускную способность 2400 Мбайт/с - в 2 раза большую, чем для SDRAM (ввиду передачи информации по двум фронтам импульса). Но для DDR принято в маркировке около букв РС указывать не рабочую частоту, а саму пропускную способность. То есть маркировка РС2400 для DDRDRAM означает DDR-память с рабочей частотой 150 МГц (возможное обозначение такой памяти, как DDR150).
Увеличение разрядности и частоты шины Rambus, обещанное в ближайшие годы, делает память DRDRAM, несмотря на ее высокую стоимость, весьма перспективной. Так, компания Samsung наметила в конце 2003 года выпустить 64-битовую память (с четырьмя 16-битовыми каналами), имеющую пропускную способность 8500 Мбайт/с (РС1066) и 9600 Мбайт/с (РС120 0). Ближайшие перспективы DDRDRAM ненамного скромнее: фирма Нуniх Semiconducta анонсировала 512-мегабитовые чипы DDR, изготовленные по 0,10 мкм-технологии с рабочими частотами 266, 333 и 400 МГц (скорость обмена до 6400 Мбайт/с). Характеристики отдельных видов памяти представлены в табл. 6.2. В конце 2002 года появилось сообщение о создании компаниями Toshiba и Infineon Technologies AG новой ферроэлектрической микросхемы энергонезависимой памяти (FeRAM - Ferroelectric Random Access non-volatile Memory) емкостью 32 Мбит, по пропускной способности сравнимой с ЯРКАМ.
Компании IBM и Infineon Technologies разработали технологию магнитной оперативной памяти с произвольной выборкой (MRAM). Работает MRAM аналогично флэш-памяти (Flash) и является энергонезависимой. IBM сообщила, что MRAM сможет заменить существующие разновидности DRAM уже к 2005 году. Компьютер с MRAM будет загружаться практически мгновенно.
*************************************
Динамическая оперативная память (Dynamic RAM - DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти современных ПК. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки очень плотно упакованы, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно организовать память большой емкости.
Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. 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. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы, однако он может быть встроен и в процессор, как в процессорах Athlon 64 и Opteron), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мс. Это означает, что каждые 15 мс прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.
Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора. Каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько тактов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах эти расходы составляют менее 1%. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы настройки BIOS. Интервал между циклами обновления называется tREF и задается не в миллисекундах, а в тактах. Очень важно понимать, что увеличение значения интервала между циклами обновления для повышения быстродействия системы может привести к случайным произвольным ошибкам.
Произвольная ошибка - это ошибка обработки данных, не связанная с дефектом микросхемы памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью программы Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры.
В устройствах DRAM для хранения одного бита используются только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время уже выпускаются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 4 Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более миллиарда транзисторов! А ведь процессор Core 2 Duo имеет только 230 млн. транзисторов. Откуда такая разница? Дело в том, что в микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последовательно, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур, в отличие от процессора, представляющего собой более сложную схему различных структур, не имеющую четкой организации.
Транзистор каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана единица; если заряда нет - записан нуль. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, поэтому память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приводит к потере заряда в ячейке DRAM, а, следовательно, и к потере данных. В работающей системе это приводит к появлению “синего экрана смерти”, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы.
Типы ОЗУ и производительность
В вопросах производительности памяти наблюдается некоторая путаница, поскольку обычно она измеряется в наносекундах, в то время как быстродействие процессоров - в мегагерцах и гигагерцах. В новых быстродействующих модулях памяти быстродействие измеряется в мегагерцах, что дополнительно усложняет ситуацию. К счастью, перевести одни единицы измерения в другие не составляет труда.
Наносекунда - это одна миллиардная доля секунды, т.е. очень короткий промежуток времени. В частности, скорость света в вакууме равна 299 792 км/с, т.е. за одну миллиардную долю секунды световой луч проходит расстояние, равное всего 29,98 см, т.е. меньше длины обычной линейки.
Быстродействие микросхем памяти и систем в целом выражается в мегагерцах (МГц), т.е. в миллионах тактов в секунду, или же в гигагерцах (ГГц), т.е. в миллиардах тактов в секунду. Современные процессоры имеют тактовую частоту от 2 до 4 ГГц, хотя гораздо большее влияние на их производительность оказывает их внутренняя архитектура (например, многоядерность).
При увеличении тактовой частоты продолжительность цикла уменьшается. В ходе эволюции компьютеров для повышения эффективности обращения к памяти создавались различные уровни кэширования, позволяющие перехватывать обращения процессора к более медленной основной памяти. Только недавно модули памяти DDR, DDR2 и DDR3 SDRAM сравняли свою производительность с шиной процессора. Когда частоты шин процессора и памяти равны, производительность памяти становится оптимальной для конкретной системы.
К 2000 году скорость шины процессора и памяти увеличилась до 100 и даже 133 МГц (эти модули назывались PC100 и PC133 соответственно). В начале 2001 года быстродействие памяти удвоилось и стало равным 200 и 266 МГц; в 2002 году выпускались модули памяти DDR со скоростью 333 МГц, а в 2003 году - 400 и 533 МГц. В 2005 и 2006 годах рост быстродействия памяти соответствовал росту скорости шины процессора - от 667 до 800 МГц. В 2007 году скорость памяти DDR2 была доведена до 1066 МГц, и одновременно с этим была выпущена память DDR3 с такой же и более высокой частотой. В таблице ниже перечислены основные типы модулей памяти и их быстродействие.
|
EDO. Extended Data Out (расширенные возможности вывода данных).
DIMM. Dual Inline Memory Module (модуль памяти с двухрядным расположением выводов).
DDR. Double Data Rate (удвоенная скорость передачи данных).
FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).
SIMM. Single Inline Memory Module (модуль памяти с однорядным расположением выводов).
RIMM. Rambus Inline Memory Module (модуль памяти стандарта Rambus).
Быстродействие памяти
При замене неисправного модуля или микросхемы памяти новый элемент должен быть того же типа. Обычно проблемы возникают при использовании микросхем или модулей, не удовлетворяющих определенным (не слишком многочисленным) требованиям, например к длительности циклов регенерации. Можно также столкнуться с несоответствием в разводках выводов, емкости, разрядности или конструкции. Если вы не знаете, какие модули памяти позволяет использовать материнская плата, обратитесь к документации.
При установке более быстродействующих модулей памяти производительность компьютера, как правило, не повышается, поскольку система обращается к ней с прежней частотой. В системах, использующих модули DIMM и RIMM, быстродействие и прочие временные характеристики считываются из специального ПЗУ SPD, установленного на модуле. После этого контроллер памяти конфигурируется с применением этих параметров. Производительность таких систем можно повышать, устанавливая более скоростные модули памяти, вплоть до предела, поддерживаемого набором микросхем системной логики.
Чтобы акцентировать внимание на проблемах синхронизации и надежности, Intel и JEDEC создали стандарты для высокоскоростных модулей памяти, определяющие их типы, удовлетворяющие определенным уровням быстродействия. Согласно этим стандартам и выполняется классификация модулей памяти по временным характеристикам.
Основными признаками недостаточного быстродействия памяти или ее несоответствия временным характеристикам системы являются ошибки памяти и четности, а также “зависание” и неустойчивая работа системы. В этом случае тест POST также может выдать ошибки. Если точно не известно, какие модули памяти допустимы для вашей системы, свяжитесь с производителем компьютера и постарайтесь приобрести модули памяти от хорошо зарекомендовавшего себя поставщика.
Контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC)
Ошибки при хранении информации в оперативной памяти неизбежны. Они обычно классифицируются как аппаратные отказы и нерегулярные ошибки (сбои).
Если нормально функционирующая микросхема вследствие, например, физического повреждения начинает работать неправильно, то это называется аппаратным отказом. Чтобы устранить данный тип отказа, обычно требуется заменить некоторую часть аппаратных средств памяти, например неисправную микросхему, модуль SIMM или DIMM.
Другой, более коварный тип отказа - нерегулярная ошибка (сбой). Это непостоянный отказ, который не происходит при повторении условий функционирования или через регулярные интервалы. (Такие отказы обычно “лечатся” выключением питания компьютера и последующим его включением.)
Приблизительно 20 лет назад сотрудники Intel установили, что причиной сбоев являются альфа-частицы. Поскольку альфа-частицы не могут проникнуть даже через тонкий лист бумаги, выяснилось, что их источником служит вещество, используемое в полупроводниках. При исследовании были обнаружены частицы тория и урана в пластмассовых и керамических корпусах микросхем, применявшихся в те годы. Изменив технологический процесс, производители памяти избавились от этих примесей.
В настоящее время производители памяти почти полностью устранили источники альфа-частиц. В связи с этим многие производители модулей памяти исключили из своей продукции поддержку проверки четности, несмотря на то что от сбоев памяти не удалось избавиться полностью. Более поздние исследования показали, что альфа-частицы охватывают лишь малую долю причин сбоев памяти.
Сегодня самая главная причина нерегулярных ошибок - космические лучи. Поскольку они имеют очень большую проникающую способность, от них практически невозможно защититься с помощью экранирования. Этот тезис был подтвержден рядом исследований, проведенных компанией IBM под руководством доктора Дж.Ф. Зиглера.
Эксперимент по проверке степени влияния космических лучей на появление ошибок в работе микросхем показал, что соотношение “сигнал–ошибка” (Signal-to-Error Ratio - SER) для некоторых модулей DRAM составило 5950 единиц интенсивности отказов (Failure Units - FU) на миллиард часов наработки для каждой микросхемы. Измерения проводились в условиях, приближенных к реальным, с учетом длительности в несколько миллионов машино-часов. В среднестатистическом компьютере это означало бы появление программной ошибки памяти примерно каждые шесть месяцев. В серверных системах или мощных рабочих станциях с большим объемом установленной оперативной памяти подобная статистика указывает на одну ошибку (или даже более) в работе памяти каждый месяц! Когда тестовая система с теми же модулями DIMM была размещена в надежном убежище на глубине более 15 метров под слоем каменной породы, что полностью устраняет влияние космических лучей, программные ошибки в работе памяти вообще не были зафиксированы. Эксперимент продемонстрировал не только опасность влияния космических лучей, но и доказал, насколько эффективно устранять влияние альфа-лучей и радиоактивных примесей в оболочках модулей памяти.
Ошибки, вызванные космическими лучами, представляют большую опасность для модулей SRAM, чем для DRAM, поскольку заряд, необходимый для хранения одного бита в ячейке SRAM, гораздо меньше емкости конденсатора в DRAM. Космические лучи также представляют большую опасность для микросхем памяти с повышенной плотностью. Чем выше плотность ячеек памяти, тем выше вероятность того, что космический луч заденет такую ячейку. С ростом объема памяти увеличивается и частота ошибок.
К сожалению, производители ПК не признали это причиной погрешностей памяти. Случайную природу сбоя намного легче оправдать разрядом электростатического электричества, большими выбросами мощности или неустойчивой работой программного обеспечения (например, использованием новой версии операционной системы или большой прикладной программы). Исследования показали, что для систем ECC доля программных ошибок в 30 раз больше, чем аппаратных. И это неудивительно, учитывая вредное влияние космических лучей. Количество ошибок зависит от числа установленных модулей памяти и их объема. Программные ошибки могут случаться и раз в месяц, и несколько раз в неделю, и даже чаще.
Хотя космические лучи и радиация являются причиной большинства программных ошибок памяти, существуют и другие факторы.
Скачки в энергоснабжении или шум на линии. Причиной может быть неисправный блок питания или настенная розетка.
Использование памяти с некорректным типом или характеристиками. Тип памяти должен поддерживаться конкретным набором микросхем и обладать определенной этим набором скоростью доступа.
Статические разряды. Вызывают моментальные скачки в энергоснабжении, что может повлиять на целостность данных.
Ошибки синхронизации. Не поступившие своевременно данные могут стать причиной появления программных ошибок. Зачастую причина заключается в неверных параметрах BIOS, оперативной памяти, быстродействие которой ниже, чем требуется системе, разогнанных процессорах и прочих системных компонентах.
Тепловыделение. Скоростные модули памяти характеризуются более высокими рабочими температурами, чем модули устаревших типов. Первыми модулями, оснащенными теплорассеивателями, оказались модули RDRAM RIMM; сейчас теплорассеивателями оснащены многие производительные модули DDR2 и DDR3, так как это единственный способ борьбы с повышенным уровнем тепловыделения.
Большинство описанных проблем не приводят к прекращению работы микросхем памяти (хотя некачественное энергоснабжение или статическое электричество могут физически их повредить), однако могут повлиять на хранимые данные.
Игнорирование сбоев, конечно, - не лучший способ борьбы с ними. Для повышения отказоустойчивости в современных компьютерах применяются такие методы как контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC).
Системы без контроля четности вообще не обеспечивают отказоустойчивость. Единственная причина, по которой они используются, - их минимальная базовая стоимость. При этом, в отличие от других технологий, не требуется дополнительная оперативная память. Байт данных с контролем четности включает в себя 9, а не 8 бит, поэтому стоимость памяти с контролем четности выше примерно на 12,5%. Кроме того, контроллеры памяти, не требующие логических мостов для подсчета данных четности или ECC, обладают упрощенной внутренней архитектурой. Портативные системы, для которых вопрос минимального энергопотребления особенно важен, выигрывают от уменьшенного энергоснабжения памяти благодаря использованию меньшего количества микросхем DRAM. И наконец, шина данных памяти без контроля четности имеет меньшую разрядность, что выражается в сокращении количества буферов данных. Статистическая вероятность возникновения ошибок памяти в современных настольных компьютерах составляет примерно одну ошибку в несколько месяцев. При этом количество ошибок зависит от объема и типа используемой памяти.
Подобный уровень ошибок может оказаться приемлемым для обычных компьютеров, не используемых для работы с важными приложениями. В этом случае цена играет основную роль, а дополнительная стоимость модулей памяти с поддержкой контроля четности и кода ECC себя не оправдывает, поэтому легче смириться с нечастыми ошибками.
Контроль четности
Это один из введенных IBM стандартов, в соответствии с которым информация в банках памяти хранится фрагментами по 9 бит, причем восемь из них (составляющих один байт) предназначены собственно для данных, а девятый является битом четности. Использование девятого бита позволяет схемам управления памятью на аппаратном уровне контролировать целостность каждого байта данных. Если обнаруживается ошибка, работа компьютера останавливается, а на экран выводится сообщение о неисправности. Если вы работаете на компьютере под управлением Windows или OS/2, то при возникновении ошибки контроля четности сообщение, возможно, не появится, а просто произойдет блокировка системы. После перезагрузки система BIOS должна идентифицировать ошибку и выдать соответствующее сообщение.
Модули SIMM и DIMM поставляются как с поддержкой битов четности, так и без нее.
Первые ПК использовали память с контролем четности для регулировки точности осуществляемых операций. Начиная с 1994 года на рынке ПК стала развиваться тревожная тенденция. Большинство компаний начали предлагать компьютеры с памятью без контроля четности и вообще без каких бы то ни было средств определения или исправления ошибок. Применение модулей SIMM без контроля четности сокращало стоимость памяти на 10–15%. В свою очередь, память с контролем четности обходилась дороже за счет применения дополнительных битов четности. Технология контроля четности не позволяет исправлять системные ошибки, однако предоставляет пользователю компьютера возможность их обнаружить, что имеет следующие преимущества:
контроль четности защищает от последствий неверных вычислений на базе некорректных данных;
контроль четности точно указывает на источник возникновения ошибок, помогая разобраться в проблеме и улучшая степень эксплуатационной надежности компьютера.
Для реализации поддержки памяти с контролем четности или без него не требуется особых усилий. В частности, внедрить поддержку контроля четности для системной платы не составит труда. Основные затраты внедрения связаны со стоимостью самих модулей памяти с контролем четности. Если покупатели готовы пойти на дополнительные затраты для повышения надежности заказываемых систем, производители компьютеров могут предоставить им такую возможность.
Схема проверки четности
При разработке стандарта контроля четности IBM определила, что значение бита четности задается таким, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах (восемь разрядов данных и разряд четности) было нечетным. Другими словами, когда байт (8 бит) данных заносится в память, специальная схема контроля четности (микросхема, установленная на системной плате или на плате памяти) подсчитывает количество единиц в байте. Если оно четное, на выходе микросхемы формируется сигнал логической единицы, который сохраняется в соответствующем разряде памяти как девятый бит (бит четности). Общее количество единиц во всех девяти разрядах при этом становится нечетным. Если же количество единиц в восьми разрядах исходных данных нечетное, то бит четности равен нулю, и сумма двоичных цифр в девяти разрядах также остается нечетной.
Рассмотрим конкретный пример (имейте в виду, что разряды в байте нумеруются с нуля, т.е. 0, 1, 2, ..., 7).
Значение бита: 1 0 1 1 0 0 1 1 0
В данном случае общее число единичных битов данных нечетное (5), поэтому бит четности должен быть равен нулю.
Рассмотрим еще один пример.
Разряд данных: 0 1 2 3 4 5 6 7 бит чётности
Значение бита: 0 0 1 1 0 0 1 1 1
В этом примере общее число единичных битов данных четное (4), поэтому бит четности должен быть равен единице, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах было нечетным.
При считывании из памяти та же самая микросхема проверяет информацию на четность. Если в 9-разрядном байте число единиц четное, значит, при считывании или записи данных произошла ошибка. Определить, в каком разряде она произошла, невозможно (нельзя даже выяснить количество испорченных разрядов). Более того, если сбой произошел в трех разрядах (в нечетном их количестве), то ошибка будет зафиксирована; однако при двух ошибочных разрядах (или четном их количестве) сбой не регистрируется. Поскольку одновременная ошибка в нескольких разрядах одного байта крайне маловероятна, такая схема проверки была недорогой и при этом позволяла с большой вероятностью определять ошибки в памяти.
При обнаружении ошибки схема контроля четности на системной плате формирует немаскируемое прерывание (NMI) - системное предупреждение, которое программы не могут проигнорировать. Основная работа прекращается и инициируется специальная процедура, записанная в BIOS.
Еще несколько лет назад, когда память была дорогой, некоторые компании выпускали модули SIMM с фиктивными микросхемами проверки четности. Вместо того чтобы хранить биты четности для каждого байта памяти, эти микросхемы генерировали всегда корректный бит дополнения. Таким образом, когда система пыталась записать бит четности, он попросту отбрасывался, а при считывании байта всегда подставлялся “нужный” бит четности. В результате система всегда получала информацию о корректной работе памяти, хотя на самом деле все могло быть далеко не так.
Такие мошеннические действия были вызваны дороговизной микросхем памяти, и производители были готовы переплатить пару лишних долларов на генератор, чтобы не платить за более дорогую микросхему, хранящую биты четности. К сожалению, определить наличие в модуле памяти такого генератора было достаточно сложно. Поддельный генератор четности внешне отличался от обычных микросхем памяти и имел маркировку, отличную от других микросхем модуля. Большинство из генераторов имели логотип “GSM”, который указывал на изготовителя логического устройства проверки четности, часто отличавшегося от компании, выпустившей сам модуль памяти.
Единственным инструментом, позволявшим выявить модули с поддельным контролем четности, были аппаратные тестеры. Сейчас же цены на память упали, что устранило первопричину подобных махинаций.
Код коррекции ошибок
Коды коррекции ошибок (Error Correcting Code - ECC) позволяют не только обнаружить ошибку, но и исправить ее в одном разряде. Поэтому компьютер, в котором используются подобные коды, в случае ошибки в одном разряде может работать без прерывания, причем данные не будут искажены. Коды коррекции ошибок в большинстве ПК позволяют только обнаруживать, но не исправлять ошибки в двух разрядах. В то же время приблизительно 98% сбоев памяти вызвано именно ошибкой в одном разряде, т.е. она успешно исправляется с помощью данного типа кодов. Данный тип ECC получил название SEC_DED (эта аббревиатура расшифровывается как “одноразрядная коррекция, двухразрядное обнаружение ошибок”).
В кодах коррекции ошибок этого типа для каждых 32 бит требуется дополнительно семь контрольных разрядов при 4-байтовой и восемь - при 8-байтовой организации (64-разрядные процессоры Athlon/Pentium). Реализация кода коррекции ошибок при 4-байтовой организации, естественно, дороже обычной проверки четности, но при 8-байтовой организации их стоимости равны, поскольку требуют одного и того же количества дополнительных разрядов.
Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. При чтении из памяти такой контроллер сравнивает прочитанные и вычисленные значения контрольных разрядов и при необходимости исправляет испорченный бит (или биты). Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но это может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ожидать завершения вычисления контрольных разрядов. При записи части слова вначале следует прочитать полное слово, затем перезаписать изменяемые байты и только после этого - новые вычисленные контрольные разряды.
В большинстве случаев сбой памяти происходит в одном разряде, и потому такие ошибки успешно исправляются с помощью кода коррекции ошибок. Использование отказоустойчивой памяти обеспечивает высокую надежность компьютера. Память с кодом ECC предназначена для серверов, рабочих станций или приложений, в которых потенциальная стоимость ошибки вычислений значительно превышает дополнительные средства, вкладываемые в оборудование, а также временные затраты системы. Если данные имеют особое значение, и компьютеры применяются для решения важных задач, без памяти ECC не обойтись. По сути, ни один уважающий себя системный инженер не будет использовать сервер, даже самый неприхотливый, без памяти ECC.
Пользователи имеют выбор между системами без контроля четности, с контролем четности и с ECC, т.е. между желательным уровнем отказоустойчивости компьютера и степенью ценности используемых данных.
Вывод
Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но это может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ожидать завершения вычисления контрольных разрядов.
Использование отказоустойчивой памяти обеспечивает высокую надежность компьютера. Память с кодом ECC предназначена для серверов, рабочих станций или приложений, в которых потенциальная стоимость ошибки вычислений значительно превышает дополнительные средства, вкладываемые в оборудование, а также временные затраты системы. Если данные имеют особое значение, и компьютеры применяются для решения важных задач, без памяти ECC не обойтись.
