Память компьютера 2

Содержание

1. Что такое внутренняя память компьютера

Для хранения информации в микропроцессорных системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в состав других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных - это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры различных устройств.

Для создания элементов запоминающих устройств, в основном, применяют СБИС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе кремния (в связи с тем, что в качестве диэлектрика чаще всего используют его оксид Si02, то их обычно называют МОП (металл-оксид-полупроводник) структурами).

Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие как оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), так и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым.

Степень интеграции, быстродействие, электрические параметры ЗУ при записи и хранении информации, помехоустойчивость, долговременная стабильность, стабильность к внешним неблагоприятным факторам при функционировании и т.д. зависят от физических принципов работы приборов, применяемых материалов при производстве ИМС и параметров технологических процессов при их изготовлении.

На развитие микропроцессорной техники решающее значение оказывает технология производства интегральных схем.

Полупроводниковые интегральные микросхемы подразделяются на биполярные ИМС и МОП схемы, причем первые - более быстродействующие, а вторые имеют большую степень интеграции, меньшую потребляемую мощность и меньшую стоимость. Цифровые микросхемы могут по идеологии, конструкторскому решению, технологии относится к разным семействам, но выполнять одинаковую функцию, т.е. быть инвертором, триггером или процессором. Наиболее популярными семействами можно назвать у биполярных ИМС: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ТТЛШ (с диодами Шоттки), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика); у МДП: n-МОП и КМОП.

Базовым материалом для изготовления ИМС является кремний. Несмотря на то, что он не обладает высокой подвижностью носителей заряда (mn=1500 см2/Вс), а значит, приборы на его основе теоретически будут уступать по быстродействию приборам на основе арсенида галлия GaAs, однако система Si-SiO2 существенно более технологична. С другой стороны, приборы на кремниевой основе кремний-оксид кремния) обладают совершенной границей раздела Si-SiO2, химической стойкостью, электрической прочностью и другими уникальными свойствами.

Технологический цикл производства ИМС включает:

- эпитаксиальное наращивание слоя на подготовленную подложку;

- наращивание слоя SiO2 на эпитаксиальный слой;

- нанесение фоторезиста, маскирование и вытравливание окон в слое;

- легирование примесью путем диффузии или имплантацией;

- аналогично повторение операций для подготовки других легированных областей;

- повторение операций для создания окон под контактные площадки;

- металлизацию всей поверхности алюминием или поликремнием;

- повторение операций для создания межсоединений;

- удаление излишков алюминия или поликремния;

- контроль функционирования;

- помещение в корпус;

- выходной контроль.

Наиболее критичным для увеличения степени интеграции является процесс литографии, т.е. процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность кремниевой пластины. С помощью этого рисунка формируют такие элементы схемы, как электроды затвора, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п. На первой стадии изготовления ИМС после завершения испытаний схемы или моделирования с помощью ЭВМ формируют геометрический рисунок топологии схемы. С помощью электронно-лучевого устройства или засветки другим способом топологический рисунок схемы последовательно, уровень за уровнем можно переносить непосредственно на поверхность кремниевой пластины, но чаще на фоточувствительные стеклянные пластины, называемые фотошаблонами. Между переносом топологического рисунка с двух шаблонов могут быть проведены операции ионной имплантации, загонки, окисления и металлизации. После экспонирования пластины помещают в раствор, который проявляет изображение в фоточувствительном материале - фоторезисте.

Увеличивая частоту колебаний световой волны, можно уменьшить ширину линии рисунка, т. е. сократить размеры интегральных схем. Но возможности этой технологии ограничены, поскольку рентгеновские лучи трудно сфокусировать. Один из вариантов - использовать сам свет в качестве шаблона (так называемое позиционирование атомов фокусированным лазерным лучом). Этим способом, осветив двумя взаимно перпендикулярными лазерными пучками, можно изготовить решетку на кремниевой пластине из хромированных точек размером 80 нм. Сканируя лазером поверхность для создания произвольного рисунка интегральных наносхем, теоретически можно создавать схемы с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние. Второе ограничение при литографии накладывает органическая природа фоторезиста. Путь ее решения - применение неорганических материалов, например, оксидов ванадия.

Физические процессы, протекающие в изделиях микроэлектроники (и в микросхемах памяти тоже), технология изготовления и конструктивные особенности ИМС высокой степени интеграции могут влиять на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и систем. Естественно, уменьшение геометрических размеров транзисторов приводит к увеличению электрических полей, особенно в районе стока. Это может привести к развитию лавинного пробоя и, как следствие, к изменению выходной ВАХ МОП транзистора:

- включению паразитного биполярного транзистора (исток-подложка-сток);

- неравномерному заряжению диэлектрика у стока;

- деградации приповерхностной области полупроводника;

- пробою диэлектрика.

Поэтому необходимо уменьшение напряжения питания СБИС до 3.6, 3.3, 3 В и т.п., при этом известно, что блок питания компьютера обеспечивает обычно напряжения +5В, +12В, -12В.

Однако инжекция и заряжение диэлектрика не всегда процесс отрицательный или паразитный. Уменьшение напряжения записи информационного заряда в репрограммируемых ЗУ ниже 12 В позволяет их программировать внутри микропроцессорной системы, а не специальным устройством (программатором). Тогда для разработчика открываются большие возможности для программирования не только адреса микросхем контроллера или адаптера в пространстве устройств ввода/вывода или номера прерывания, но и творить необходимое устройство самому (если иметь такую ИМС). Однако отметим, что кроме "хозяина" это может сделать и компьютерный вирус, который будет, естественно, разрушать, а не созидать что-либо.

Основные характеристики полупроводниковой памяти

Полупроводниковая память имеет большое число характеристик и параметров, которые необходимо учитывать при проектировании систем:

1. Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M - число слов, N - разрядность слова. Например, кристалл емкостью 16 Кбит может иметь различную организацию: 16 Кx1, 4 Кx2 Кx8. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

2. Временные характеристики памяти.

Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время восстановления - это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША - адрес, с ШУ - сигнал "чтение" или "запись" и с ШД - данные.

3. Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

4. Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме. Наибольшее потребление энергии, не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти.

5. Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП-памяти.

6. Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие.

Физическая организация внутренней памяти

Внутренняя память компьютера - это место хранения информации, с которой он работает. Внутренняя память компьютера является временным рабочим пространством; в отличие от нее внешняя память предназначена для долговременного хранения информации. Информация во внутренней памяти не сохраняется при выключении питания.

Память компьютера организована в виде множества ячеек, в которых могут храниться значения; каждая ячейка обозначается адресом. Размеры этих ячеек и, собственно, типы значений, которые могут в них храниться, отличаются у разных компьютеров. Некоторые старые компьютеры имели очень большой размер ячейки, иногда до 64 бит в каждой ячейке. Эти большие ячейки назывались "словами".

Внутренняя память, в свою очередь, подразделяется на: оперативную (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) и постоянную (постоянное запоминающее устройство – ПЗУ. ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет ее только считывать, изменить содержимое ПЗУ нельзя. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольным доступом - RAM (Random Access Memory). Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти.

Микросхемы основной (оперативной) памяти всегда работают медленнее процессора. Поэтому процессору часто приходится делать пустые такты, ожидая поступления данных из памяти. Чтобы частично решить эту проблему, используется память небольшого размера (порядка 128 – 512 Кб), которая выполнена на базе более скоростных (и более дорогих) микросхем памяти. Такая память называется кэшем [caсhe] или сверхоперативной памятью.

Оперативная память

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации непосредственно участвующей в вычислительном процессе, выполняемом ПК в данный момент времени. Главное достоинство ОЗУ ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно.

Первоначально, на моделях с процессором 80386, использовались SIP (Single In-Line Package) модули, представлявшие собой плату с установленными на ней микросхемами DRAM. В качестве оперативной памяти используются модули SIMM (Single In-Line Memory Module, рис.9-10), DIMM (Dual In-Line Memory Module, рис.2.11), RIMM, SO-DIMM и SO-RIMM. Все они имеют разное количество контактов. Модули SIMM сейчас встречаются только в старых моделях материнских плат, а им на смену пришли 168-контактные DIMM. Модули SO-DIMM и SO-RIMM, имеющие меньшее количество контактов, чем стандартные DIMM и RIMM, широко используются в портативных устройствах. Модули RIMM можно встретить в платах на чипсете Intel 820.

Всю память с произвольным доступом (RAM) можно разделить на два типа: DRAM (динамическая RAM) и SRAM (статическая RAM). К первому поколению высокоскоростных DRAM, главным образом, относят EDO DRAM, SDRAM и RDRAM, а к следующему - ESDRAM, DDR SDRAM, Direct RDRAM, SLDRAM (ранее SynchLink DRAM) и т. д.

SDRAM способна работать на частоте, превышающей частоту работы EDO DRAM. В первой половине 1997 г. SDRAM занимала примерно 25% всего рынка DRAM. Первоначально SDRAM работала на частоте от 66 до 100 МГц. Сейчас существует память, работающая на частотах от 125 до 143 МГц и выше.

ESDRAM - это по существу SDRAM плюс немного SRAM. При малой задержке и пакетной работе достигается частота до 200 МГц.

DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM) является синхронной памятью, реализующей удвоенную скорость передачи данных по сравнению с обычной SDRAM. DDR SDRAM не имеет полной совместимости с SDRAM, хотя использует метод управления, как у SDRAM, и стандартный 168-контактный разъем DIMM (рис.2.14).

У всех предыдущих DRAM были разделены линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали выполняться на одной шине. Двумя из таких решений являются технологии SLDRAM и DRDRAM.

SLDRAM способна работать на частоте 400 МГц.

Direct Rambus DRAM (рис.2.15) - это высокоскоростная динамическая память с произвольным доступом, разработанная Rambus Inc. Она обеспечивает высокую пропускную способность по сравнению с большинством других DRAM. Direct Rambus DRAMs представляет интегрированную на системном уровне технологию.

RDRAM представляет спецификацию, созданную Rambus, Inc. Частота работы памяти равна 400 МГц, но за счет использования обеих границ сигнала достигается частота, эквивалентная 800 МГц.

Direct Rambus RIMM - это модуль памяти, который включает один или более Direct RDRAM-чипов и организует непрерывность канала. Модули Direct Rambus имеют геометрические размеры, сходные с размерами SDRAM DIMMs. Это позволяет вставлять RIMM'ы во все материнские платы с соответствующим слотом. Модули имеют 168 контактов.

Модули Direct Rambus RIMMs могут быть как односторонние, так и двухсторонние. Односторонние RIMM используют шестислойную плату и могут содержать от одного до восьми чипов Direct RDRAM. Двухсторонние RIMM используют восьмислойную плату и могут содержать до 16-ти чипов Direct DRAM. Для гарантии совместимости различных товаров Rambus, Inc. обеспечивает некоторые правила конструирования.

Кэш-память

Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная, сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы между микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

Замечания

Для компьютеров на основе Intel 80386DX или 80486X размер кэш-памяти в 64 Кбайт является удовлетворительным, 128 Кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе Intel Pentium обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт.

Некоторые производители в погоне за снижением себестоимости поставляют компьютеры без кэш-памяти или с фальшивой кэш-памятью. Следует иметь в виду, что это может сильно снизить производительность компьютера, иногда почти в два раза. Если учесть небольшую скорость кэш-памяти, такую экономию вряд ли можно считать разумной.

Микропроцессоры серий 486 и Pentium содержат небольшую внутреннюю кэш-память, поэтому для однозначности терминологии в технической литературе, кэш-память, размещаемую на системной плате, называют кэш-памятью второго уровня.

BIOS (постоянная память)

В IBM PC совместимых компьютерах имеется также и постоянная память, в которую данные занесены при ее изготовлении. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать. Такой вид памяти обычно называется ROM (Read Only Memory, или память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

В IBM PC совместимом компьютере в постоянной памяти хранятся программы, для проверки оборудования компьютера, проверки загрузки операционной системы и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, часто содержимое оперативной памяти называется BIOS (Basic Input-Output System).

CMOS (полупостоянная память)

Кроме обычной оперативной памяти, в компьютере также имеется небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS-памятью, поскольку эта память выполняется по CMOS-технологии (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), обладающим низким энергопотреблением. Содержание CMOS-памяти не изменяется при включении электропитания компьютера, поскольку для ее питания используется специальный аккумулятор. Для изменения параметров настройки компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера SETUP.

Видеопамять

Еще один вид памяти в IBM PC совместимых компьютерах – это видеопамять, то есть память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран (смотри мониторы_и_видеоконтроллеры).