Оперативная память: основные понятия

Память типа ROM

Память типа DRAM

Кэш-память — SRAM

Быстродействие запоминающих устройств

Новые типы динамической оперативной памяти

Физическая память

Увеличение объема памяти

Устранение ошибок памяти

Логическая организация памяти

Оперативная память: основные понятия

В этой главе память рассматривается как в логическом, так и в физическом аспекте. Здесь описаны микросхемы и модули памяти, которые можно установить в компьютере. Кроме то го, речь идет о структуре памяти, ее разбивке на области и о назначении этих областей. Глава содержит много полезной информации, благодаря которой вы сможете использовать компь ютер гораздо эффективнее.
Оперативная память — это рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как вре менное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включен ном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохра нить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.
Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими устройствами с про извольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной па мяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором. Однако иногда термин память относится также к внешним запоминающим устройствам, таким как диски и накопители на магнитной ленте.
За несколько лет понятие RAM (Random Access Memory) превратилось из обычной аббре виатуры в термин, обозначающий основное рабочее пространство памяти, создаваемое мик росхемами динамической оперативной памяти (Dynamic RAM — DRAM) и используемое процессором для выполнения программ. Одним из свойств микросхем DRAM (и, следова тельно, оперативной памяти в целом) является динамическое хранение данных, что означает, во-первых, возможность многократной записи информации в оперативную память, а во вторых, необходимость постоянного обновления данных (т.е., в сущности, их перезапись) примерно каждые 15 мс. Также существует так называемая статическая оперативная память (Static RAM — SRAM), не требующая постоянного обновления данных. Следует заметить, что данные сохраняются в оперативной памяти только при включенном питании. Термин оперативная память часто обозначает не только микросхемы, которые состав ляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение — это способ представления адресов памяти на фак тически установленных микросхемах. Размещение — это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы. Новички часто путают оперативную память с памятью на диске, поскольку емкость уст ройств памяти обоих типов выражается в одинаковых единицах — мега- или гигабайтах. По пытаемся объяснить связь между оперативной памятью и памятью на диске с помощью сле дующей простой аналогии.
Представьте себе небольшой офис, в котором некий сотрудник обрабатывает информа цию, хранящуюся в картотеке. В нашем примере шкаф с картотекой будет выполнять роль жесткого диска системы, где длительное время хранятся программы и данные. Рабочий стол будет представлять оперативную память системы, которую в текущий момент обрабатывает сотрудник, — его действия подобны работе процессора. Он имеет прямой доступ к любым документам, находящимся на столе. Однако, прежде чем конкретный документ окажется на Оперативная память: основные понятия 407 столе, его необходимо отыскать в шкафу. Чем больше в офисе шкафов, тем больше докумен тов можно в них хранить. Если рабочий стол достаточно большой, можно одновременно ра ботать с несколькими документами.
Добавление к системе жесткого диска подобно установке еще одного шкафа для хранения документов в офисе — компьютер может постоянно хранить большее количество информации. Увеличение объема оперативной памяти в системе подобно установке большего рабочего сто ла — компьютер может работать с большим количеством программ и данных одновременно. Впрочем, есть одно различие между хранением документов в офисе и файлов в компью тере: когда файл загружен в оперативную память, его копия все еще хранится на жестком диске. Обратите внимание: поскольку невозможно постоянно хранить файлы в оперативной памяти, все измененные после загрузки в память файлы должны быть вновь сохранены на же стком диске перед выключением компьютера. Если измененный файл не будет сохранен, то первоначальная копия файла на жестком диске останется неизменной.
Во время выполнения программы в оперативной памяти хранятся ее данные. Микросхемы оперативной памяти (RAM) иногда называют энергозависимой памятью: после выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, если они предварительно не были со хранены на диске или другом устройстве внешней памяти. Чтобы избежать этого, некоторые приложения автоматически делают резервные копии данных.
Файлы компьютерной программы при ее запуске загружаются в оперативную память, в которой хранятся во время работы с указанной программой. Процессор выполняет про граммно реализованные команды, содержащиеся в памяти, и сохраняет их результаты. Опе ративная память хранит коды нажатых клавиш при работе с текстовым редактором, а также величины математических операций. При выполнении команды Сохранить (Save) содержи мое оперативной памяти сохраняется в виде файла на жестком диске.
Физически оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или моду лей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к системной плате. Эти мик росхемы или модули могут иметь различные характеристики и, чтобы функционировать пра вильно, должны быть совместимы с системой, в которую устанавливаются. Как и процессор, память — один из наиболее дорогих компонентов современного компь ютера, хотя общая стоимость памяти в обычном настольном компьютере за последние не сколько лет снизилась. Но даже после падения цен память системы, как правило, стоит вдвое дороже, чем системная плата. До обвального падения цен на память в середине 1996 года в течение многих лет цена одного мегабайта памяти держалась приблизительно на уровне 40 долларов; 16 Мбайт (в то время это типичная конфигурация) стоили более 600 долларов. Фактически до середины 1996 года память была невероятно дорога: ее цена превышала стои мость слитка золота такого же веса.
К концу 1996 года цена одного мегабайта памяти снизилась приблизительно до 4 долларов. Цены продолжали падать, и после главного обвального падения стоимость одно го мегабайта не превышает 25 центов, или приблизительно 60 долларов за 256 Мбайт (типичный объем ОЗУ). Сегодня объем памяти компьютера раза в четыре превышает тот, ко торый устанавливался несколько лет назад, в то время как стоимость памяти составляет при мерно одну шестую часть стоимости компьютера.
Хотя память значительно подешевела, модернизировать ее приходится намного чаще, чем несколько лет назад. В настоящее время новые типы памяти разрабатываются значительно быстрее, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет установить память уста ревшего типа, как никогда велика. Поэтому при замене системной платы зачастую приходит ся заменять и память.
В связи с этим при выборе типа устанавливаемой памяти следует все хорошо обдумать и просчитать, чтобы минимизировать затраты на будущую модернизацию (или ремонт). 408 Глава 6. Оперативная память В современных компьютерах используются запоминающие устройства трех основных типов.
-- ROM (Read Only Memory). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), не способное выполнять операцию записи данных.
-- DRAM (Dynamic Random Access Memory). Динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки.
-- SRAM (Static RAM). Статическая оперативная память.

Память типа ROM

В памяти типа ROM (Read Only Memory), или ПЗУ, данные можно только хранить, изме нять их нельзя. Именно поэтому такая память используется только для чтения данных. ROM также часто называется энергонезависимой памятью, потому что любые данные, записанные в нее, сохраняются при выключении питания. Поэтому в ROM помещаются команды запуска персонального компьютера, т.е. программное обеспечение, которое загружает систему. Заметьте, что ROM и оперативная память — не противоположные понятия. На самом де ле ROM представляет собой часть оперативной памяти системы. Другими словами, часть ад ресного пространства оперативной памяти отводится для ROM. Это необходимо для хране ния программного обеспечения, которое позволяет загрузить операционную систему. Основной код BIOS содержится в микросхеме ROM на системной плате, но на платах адаптеров также имеются аналогичные микросхемы. Они содержат вспомогательные подпро граммы базовой системы ввода-вывода и драйверы, необходимые для конкретной платы, особенно для тех плат, которые должны быть активизированы на раннем этапе начальной за грузки, например видеоадаптер. Платы, не нуждающиеся в драйверах на раннем этапе на чальной загрузки, обычно не имеют ROM, потому что их драйверы могут быть загружены с жесткого диска позже — в процессе начальной загрузки.
В настоящее время в большинстве систем используется одна из форм Flash-памяти, кото рая называется электронно-перепрограммируемой постоянной памятью (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory — EEPROM). Flash-память является по-настоящему энерго независимой и перезаписываемой, она позволяет пользователям легко модифицировать ROM, программно-аппаратные средства системных плат и других компонентов (таких, как видео адаптеры, платы SCSI, периферийные устройства и т.п.). Более подробно типы микросхем ROM описываются в главе 5, “Базовая система ввода вывода”.

Память типа DRAM

Динамическая оперативная память (Dynamic RAM — DRAM) используется в большинст ве систем оперативной памяти современных персональных компьютеров. Основное преиму щество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в не большую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости.
Ячейки памяти в микросхеме DRAM — это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, свя занные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно реге нерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут Кэш-память — SRAM 409 “стекать” и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Боль шинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем систем ной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту реге нерации, равную 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128?15 мкс) прочиты ваются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.
Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора: каждый цикл регенера ции по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компь ютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах, работающих на частотах, равных сотням мегагерц, расходы на ре генерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позво ляют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторых ячейках памяти заряд стечет, а это вызовет сбои памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Посколь ку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время имеются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 512 Мбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более 256 млн тран зисторов! А ведь Pentium 4 имеет только 42 млн транзисторов. Откуда такая разница? Дело в том, что в микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последователь но, 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. Сейчас разрабатываются микросхемы емкостью 256 Гбит; их производство планируется начать в 2003 или 2004 году. В таких микросхемах ширина строки будет равна 0,05 микрона.
Транзистор для каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения со стояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет — записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или ка кой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следова тельно, и к потере данных.
Динамическая оперативная память используется в персональных компьютерах; поскольку она недорогая, микросхемы могут быть плотно упакованы, а это означает, что запоминающее устройство большой емкости может занимать небольшое пространство. К сожалению, память этого типа не отличается высоким быстродействием, обычно она намного “медленнее” про цессора. Поэтому существует множество различных типов организации DRAM, позволяющих улучшить эту характеристику.

Кэш-память — SRAM

Существует тип памяти, совершенно отличный от других, — статическая оперативная па мять (Static RAM — SRAM). Она названа так потому, что, в отличие от динамической опера тивной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого не требуется периодической регене 410 Глава 6. Оперативная память рации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродейст вие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и совре менные процессоры.
Время доступа SRAM не более 2 нс; это означает, что такая память может работать син хронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из шести транзисторов. Использование транзисто ров без каких-либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. (Ведь ес ли нет никаких конденсаторов, то и заряды не теряются.) Пока подается питание, SRAM бу дет помнить то, что сохранено. Почему же тогда микросхемы SRAM не используются для всей системной памяти? Ответ можно найти в следующей таблице.
По сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее намного ниже, а цена довольно высока. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластеризованное их размещение не только увеличивает габариты микросхем SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM. Например, емкость модуля DRAM может равняться 64 Мбайт или больше, в то время как емкость модуля SRAM приблизи тельно того же размера составляет только 2 Мбайт, причем их стоимость будет одинаковой. Та ким образом, габариты SRAM в среднем в 30 раз превышают размер динамической оператив ной памяти, то же самое можно сказать и о стоимости. Все это не позволяет использовать SRAM в качестве оперативной памяти в персональных компьютерах.
Несмотря на это, разработчики все-таки применяют память типа SRAM для повышения эф фективности PC. Но во избежание значительного увеличения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной SRAM, которая используется в качестве кэш-памяти. Кэш память работает на тактовых частотах, близких или даже равных тактовым частотам процессо ра, причем обычно именно эта память непосредственно используется процессором при чтении и записи. Во время операций чтения данные в высокоскоростную кэш-память предварительно за писываются из оперативной памяти с низким быстродействием, т.е. из DRAM.
Еще недавно время доступа динамической оперативной памяти было не менее 60 нс (что соответствует тактовой частоте 16 МГц). Когда процессор персонального компьютера рабо тал на тактовой частоте 16 МГц и ниже, DRAM могла быть синхронизирована с системной платой и процессором, поэтому кэш был не нужен. Однако, как только тактовая частота про цессора поднялась выше 16 МГц, синхронизировать DRAM с процессором стало невозмож но, и именно тогда разработчики начали использовать SRAM в персональных компьютерах. Это произошло в 1986 и 1987 годах, когда появились PC с процессором 386, работающим на частотах 16 и 20 МГц. Именно в этих персональных компьютерах впервые нашла применение так называемая кэш-память, т.е. высокоскоростной буфер, построенный на микросхемах SRAM, который непосредственно обменивается данными с процессором. Поскольку быстро действие кэша может быть сравнимо с быстродействием процессора, контроллер кэша может предугадывать потребности процессора в данных и предварительно загружать необходимые данные в высокоскоростную кэш-память. Тогда при выдаче процессором адреса памяти дан ные могут быть переданы из высокоскоростного кэша, а не из оперативной памяти, быстро действие которой намного ниже.
Кэш-память — SRAM 411
Эффективность кэш-памяти выражается коэффициентом совпадения, или коэффициентом успеха. Коэффициент совпадения равен отношению количества удачных обращений в кэш к общему количеству обращений. Попадание — это событие, состоящее в том, что необходимые процессору данные предварительно считываются в кэш из оперативной памяти; иначе говоря, в случае попадания процессор может считывать данные из кэш-памяти. Неудачным обращением в кэш считается такое, при котором контроллер кэша не предусмотрел потребности в данных, на ходящихся по указанному абсолютному адресу. В таком случае необходимые данные не были предварительно считаны в кэш-память, поэтому процессор должен отыскать их в более медлен ной оперативной памяти, а не в быстродействующем кэше. Когда процессор считывает данные из оперативной памяти, ему приходится какое-то время “ждать”, поскольку тактовая частота оперативной памяти значительно ниже, чем процессора. Если процессор работает на частоте 233 МГц, то продолжительность его цикла равна примерно 4 нс, в то время как продолжитель ность цикла оперативной памяти может составлять 60 нс, что соответствует тактовой частоте 16 МГц. Таким образом, каждый раз, когда процессор считывает данные из оперативной памя ти, его работа замедляется. Это настолько ощутимо, что кажется, будто он работает на тактовой частоте 16 МГц! Замедление обусловлено состоянием ожидания. Если процессор находится в состоянии ожидания, то на протяжении всего цикла (такта) никакие операции не выполняются; процессор, по существу, ждет, пока необходимые данные поступят из более медленной опера тивной памяти. Поэтому именно кэш-память позволяет сократить количество “простоев” и уве личить быстродействие компьютера в целом.
Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в современных персональных компьютерах обычно предусмотрены два типа кэш-памяти: кэш-память первого уровня (L1) и кэш-память второго уровня (L2). Кэш память первого уровня также называется встроенным или внутренним кэшем; он непосредст венно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора. Во всех про цессорах 486 и выше кэш-память первого уровня интегрирована в микросхему процессора. Кэш-память второго уровня называется вторичным или внешним кэшем; он устанавлива ется вне микросхемы процессора. Первоначально она устанавливалась на системной плате. (Так было во всех компьютерах на основе процессоров 386, 486 и Pentium.) Если кэш-память второго уровня установлена на системной плате, то она работает на ее частоте. В этом случае кэш-память второго уровня обычно находится рядом с разъемом процессора.
Для повышения эффективности в более поздних компьютерах на основе процессоров Pentium Pro, Pentium II/III и Athlon кэш-память второго уровня является частью процессора. Конечно же, он внешний по отношению к кристаллу центрального процессора, просто эта отдельная микросхема устанавливается внутри корпуса (картриджа) процессора. Поэтому на системных платах для процессоров Pentium Pro или Pentium II нет никакого кэша. В послед них моделях процессоров Pentium III и Athlon кэш-память второго уровня является частью микросхемы процессора (подобно кэш-памяти первого уровня) и работает на более высоких частотах (на частоте процессора, половинной или трети). В процессорах Itanium для увеличе ния производительности используется три уровня кэш-памяти.
Место кэш-памяти и оперативной памяти в архитектуре системы на основе набора микро схем системной логики Intel 430TX и процессора Pentium MMX показано на рис. 6.1. Архитектуры систем на базе процессора Pentium III можно найти в главе 4, “Системные платы”. В табл. 6.1 приведены параметры кэш-памяти первого (внутреннего) и второго (внешнего) уровней в современных компьютерах.
Этот набор микросхем может кэшировать данные только первых 64 Мбайт оперативной па мяти системы. Если установлен больший объем памяти, работа компьютера значительно замед ляется, потому что все данные вне первых 64 Мбайт никогда не попадут в кэш и при обращении к ним будут всегда необходимы все состояния ожидания, определяемые более медленной дина мической оперативной памятью. Снижение эффективности зависит от программного обеспече ния и от адресов, по которым хранятся данные в памяти. Например, 32-разрядные операцион ные системы типа Windows 9х и Windows NT загружаются сверху вниз, так что если установле на оперативная память емкостью 96 Мбайт, то и операционная система, и прикладные программы будут загружаться в верхние 32 Мбайта, которые не кэшируются. Это значительно замедлит работу компьютера в целом. В данном случае можно удалить дополнительную память, чтобы уменьшить емкость до 64 Мбайт. Другими словами, неблагоразумно устанавливать большую емкость памяти, чем позволяет кэшировать набор микросхем системной логики.

Быстродействие запоминающих устройств

Быстродействие процессора выражается в мегагерцах (МГц), а быстродействие запоми нающего устройства и его эффективность — в наносекундах (нс). Наносекунда — это одна миллиардная доля секунды, т.е. очень короткий промежуток времени. Заметьте, что скорость света в вакууме равна 299 792 километра в секунду. За одну миллиардную долю секунды световой луч проходит расстояние, равное всего лишь 29,98 сан тиметра, т.е. меньше длины обычной линейки!
Быстродействие процессоров и микросхем выражается в мегагерцах (МГц), т.е. в миллио нах циклов, выполняемых в течение одной секунды. Рабочая частота современных процессо ров достигает 2000 и более МГц (2 ГГц, или двух миллиардов циклов в секунду), а вскоре, как ожидается, возрастет до 3 или 4 ГГц.
Очень легко запутаться, сравнивая, например, процессор и модули памяти, быстродейст вие которых выражено в разных единицах. В табл. 6.2 показана зависимость между быстро действием, выраженным в наносекундах (нс) и в мегагерцах (МГц).
Как можно заметить, при увеличении тактовой частоты продолжительность цикла уменьша ется, а быстродействие, соответствующее 60 нс памяти DRAM, используемой в обычном ком пьютере, мизерно по сравнению с процессором, работающим на частоте 400 МГц и выше. За метьте, что до недавнего времени большинство микросхем DRAM, используемых в персональ ных компьютерах, имели время доступа 60 нс, которое равнозначно тактовой частоте 16,7 МГц! Поскольку эта медленная память устанавливается в системы, в которых процессор работает на частоте 300 МГц и выше, возникает несоответствие между эффективностью оперативной памя ти и процессора. В 2000 году чаще всего применялась память PC100 или PC133, которая рабо тает на частоте 100 или 133 МГц соответственно. Начиная с 2001 года, память стандартов DDR (200 и 266 МГц) и RDRAM (800 МГц) стала завоевывать все большую популярность.
Поскольку транзисторы для каждого бита в микросхеме памяти размещены в узлах ре шетки, наиболее рационально адресовать каждый транзистор, используя номер столбца и строки. Сначала выбирается строка, затем столбец адреса и, наконец, пересылаются данные. Начальная установка строки и столбца адреса занимает определенное время, обычно назы ваемое временем задержки или ожиданием. Время доступа для памяти равно времени за держки для выборки столбца и строки адреса плюс продолжительность цикла. Например, па мять со временем доступа 60 нс обычно имеет время задержки 25 нс (чтобы выбрать строку и столбец адреса) и продолжительность цикла 35 нс (чтобы фактически передать данные). Быстрый постраничный режим динамической оперативной памяти
Чтобы сократить время ожидания, стандартная память DRAM разбивается на страницы. Обычно для доступа к данным в памяти требуется выбрать строку и столбец адреса, что за нимает некоторое время. Разбивка на страницы обеспечивает более быстрый доступ ко всем данным в пределах некоторой строки памяти, т.е. если изменяется не номер строки, а только номер столбца. Такой режим доступа к данным в памяти называется (быстрым) постранич ным режимом (Fast Page Mode), а сама память — памятью Fast Page Mode. Другие вариации постраничного режима называются Static Column или Nibble Mode.
Страничная организация памяти — простая схема повышения эффективности памяти, в соответствии с которой память разбивается на страницы длиной от 512 байт до нескольких килобайтов. Электронная схема пролистывания позволяет при обращении к ячейкам памяти в пределах страницы уменьшить количество состояний ожидания. Если нужная ячейка памяти находится вне текущей страницы, то добавляется одно или больше состояний ожидания, так как система выбирает новую страницу.
Чтобы увеличить скорость доступа к памяти, были разработаны другие схемы доступа к динамической оперативной памяти. Одним из наиболее существенных изменений было вне дрение пакетного (burst) режима доступа в процессоре 486 и более поздних. Преимущества пакетного режима доступа проявляются потому, что в большинстве случаев доступ к памяти является последовательным. После установки строки и столбца адреса в пакетном режиме можно обращаться к следующим трем смежным адресам без дополнительных состояний ожидания. Однако доступ в пакетном режиме обычно ограничивается четырьмя операциями. Чтобы объяснить это, обратимся к схеме синхронизации по количеству циклов для каждой операции доступа. Схема синхронизации типичного доступа в пакетном режиме для стан- дартной динамической оперативной памяти выглядит следующим образом: x-y-y-y, где x — вре мя выполнения первой операции доступа (продолжительность цикла плюс время ожидания), а y — число циклов, необходимых для выполнения каждой последующей операции доступа. Схема синхронизации в пакетном режиме для стандартной DRAM со временем доступа 60 нс обычно выглядит так: 5-3-3-3. Это означает, что первая операция доступа занимает пять циклов на системной шине с частотой 66 МГц, что приблизительно равно 75 нс (5?15 нс; 15 нс — длительность одного цикла), в то время как последующие операции занимают по три цикла каждая (3?15 нс = 45 нс). Заметьте, что без разбивки на страницы схема доступа к па мяти выглядела бы как 5-5-5-5, потому что для каждой передачи данных запоминающему устройству потребовалось бы одно и то же время ожидания.
DRAM, поддерживающая разбивку на страницы и пакетный режим, называется памятью с быстрым постраничным режимом (Fast Page Memory — FPM). Этим подчеркивается, что для доступа к данным в памяти без смены страницы требуется меньшее количество циклов ожидания. В большинстве компьютеров 486 и более новых используется память FPM, а в бо лее старые компьютеры устанавливали обычную динамическую оперативную память.
Другой метод ускорения памяти FPM называется чередованием. Этот метод использует совместно два отдельных банка памяти, распределяя четные и нечетные байты между этими банками. Когда происходит обращение к одному банку, в другом банке выбираются строка и столбец адреса. К моменту окончания выборки данных в первом банке во втором закончатся циклы ожидания и он будет готов к выборке данных. Когда данные выбираются из второго банка, в первом идет процесс выборки строки и столбца адреса для следующей операции дос тупа. Это совмещение (перекрытие по времени) операций доступа в двух банках приводит к уменьшению времени ожидания и обеспечивает более быстрый поиск данных. Единственная проблема состоит в том, что для использования этого метода необходимо установить иден тичные пары банков, а при этом удваивается количество микросхем SIMM или DIMM. Чере 418 Глава 6. Оперативная память дование широко использовалось в 32-разрядных запоминающих устройствах для процессора 486, но малоэффективно в случае 64-разрядной памяти в процессоре Pentium. Чтобы исполь зовать чередование памяти в Pentium, необходимо установить 128-разрядную память, т.е. че тыре микросхемы SIMM с 72-мя контактами или две микросхемы DIMM.
Оперативная память EDO
Начиная с 1995 года в компьютерах на основе Pentium используется новый тип оперативной памяти — EDO (Extended Data Out). Это усовершенствованный тип памяти FPM; его иногда на зывают Hyper Page Mode. Память типа EDO была разработана и запатентована компанией Micron Technology (позже лицензии приобрели многие другие изготовители). Память EDO собира ется из специально изготовленных микросхем, которые учитывают перекрытие синхронизации между очередными операциями доступа. Как следует из названия — Extended Data Out, драйве ры вывода данных на микросхеме, в отличие от FPM, не выключаются, когда контроллер памя ти удаляет столбец адреса в начале следующего цикла. Это позволяет совместить (по времени) следующий цикл с предыдущим, экономя приблизительно 10 нс в каждом цикле. Таким образом, контроллер памяти EDO может начать выполнение новой команды вы- борки столбца адреса, а данные будут считываться по текущему адресу. Это почти идентично использованию различных банков для чередования памяти, но, в отличие от чередования, не нужно одновременно устанавливать два идентичных банка памяти в системе. Для оперативной памяти EDO схема синхронизации в пакетном режиме имеет вид 5-2-2-2, а не 5-3-3-3, как для стандартной памяти Fast Page Mode. Это означает, что четыре передачи данных из памяти EDO занимают 11 полных системных циклов (сравните с 14-ю полными циклами для памяти FPM). Благодаря этому при проведении специальных тестов быстродей ствие увеличилось на 22%, однако в фактических испытаниях памяти EDO на эталонных тес тах быстродействие всей системы обычно увеличивается примерно на 5%. Хотя такое увели чение может показаться совсем небольшим, главное преимущество EDO состоит в том, что в запоминающих устройствах подобного типа используются те же самые микросхемы динамиче ской оперативной памяти, что и в FPM. И стоимость таких запоминающих устройств равна стоимости памяти FPM. Но при этом EDO обладает более высокой эффективностью, чем FPM. Для того чтобы использовать память EDO, набор микросхем системной логики на сис темной плате должен поддерживать ее. Большинство подобных наборов микросхем, начиная с набора 430FX (Triton), выпущенного компанией Intel в 1995 году, поддерживают EDO. По скольку микросхемы памяти EDO стоили столько же, сколько и стандартные микросхемы, Intel, а вслед за ней и остальные производители стали поддерживать EDO во всех наборах микросхем системной логики.
Оперативная память EDO идеальна для систем с быстродействием шины до 66 МГц. Та кие шины в персональных компьютерах использовались до 1997 года включительно; однако в течение 1998 года память EDO была заменена более новой и быстрой памятью SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная DRAM). Эта новая архитектура стала новым стандартом оперативной памяти персонального компьютера.
Burst EDO
Память Burst Extended-Data-Out Dynamic Random Access Memory (Burst EDO, BEDO DRAM) является разновидностью памяти EDO. Это в основном та же память, что и EDO, но с еще более быстрой передачей данных. К сожалению, только один набор микросхем систем ной логики (Intel 440FX Natoma) поддерживал ее, и она была быстро заменена памятью SDRAM, которая поддерживается в подавляющем большинстве наборов микросхем. Память BEDO в настоящее время не используется и не производится.
Новые типы динамичесeой оперативной памяти 419
SDRAM
Это тип динамической оперативной памяти DRAM, работа которой синхронизируется с шиной памяти. SDRAM (Synchronous DRAM) передает информацию в высокоскоростных па кетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс. SDRAM позволяет избежать использования большинства циклов ожидания, необходимых при работе асинхрон ной DRAM, поскольку сигналы, по которым работает память такого типа, синхронизированы с тактовым генератором системной платы.
Как и для оперативной памяти EDO, для памяти этого типа требуется поддержка набором микросхем системной логики. Начиная с наборов 430VX и 430TX, выпущенных в 1997 году, все наборы микросхем системной логики компании Intel полностью поддерживают SDRAM; это самый популярный тип памяти для новых систем. SDRAM хорошо подходит для архитек туры Pentium II/III и новых высокоэффективных системных плат.
Эффективность SDRAM значительно выше по сравнению с оперативной памятью FPM или EDO. Поскольку SDRAM — это тип динамической оперативной памяти, ее начальное время ожидания такое же, как у FPM или EDO, но общее время цикла намного короче. Схема синхронизации пакетного доступа SDRAM выглядит так: 5-1-1-1, т.е. четыре операции чте ния завершаются всего лишь за восемь циклов системной шины (сравните с 11-ю циклами для EDO и 14-ю для FPM). Кроме этого, память SDRAM может работать на частоте 100 МГц (10 нс) и выше, что стало новым стандартом для системного быстродействия начиная с 1998 года. Фактически все новые персональные компьютеры, проданные в 1998 году, имеют память типа SDRAM. Последние об новления SDRAM поддерживают рабочую частоту 133 МГц (согласно спецификации PC133). Память SDRAM поставляется в виде модулей DIMM и, как правило, ее быстродействие оценивается в мегагерцах, а не в наносекундах (табл. 6.5). Хотя быстродействие SDRAM существенно выше, чем у памяти предшествующих типов, стоит она не намного дороже, поэтому ей и удалось так быстро завоевать твердые позиции на рынке PC.

Новые типы динамической оперативной памяти

В этом разделе речь идет о новых типах оперативной памяти, которые используются в на стоящее время и, скорее всего, будут доминирующими на рынке в ближайшие годы. DDR SDRAM
Память DDR (Double Data Rate — двойная скорость передачи данных) — это еще более усовершенствованный стандарт SDRAM, при использовании которого скорость передачи данных удваивается. Это достигается не за счет удвоения тактовой частоты, а за счет переда чи данных дважды за один цикл: первый раз в начале цикла, а второй — в конце. Именно благодаря этому и удваивается скорость передачи (причем используются те же самые частоты и синхронизирующие сигналы).
Память DDR предлагается такими выпускающими процессоры компаниями, как AMD и Cyrix, и такими изготовителями наборов микросхем системной логики, как VIA Technologies, ALi (Acer Labs, Inc.) и SiS (Silicon integrated Systems).
RDRAM
Радикально новый тип памяти RDRAM, или Rambus DRAM, используется в высокопроиз водительных персональных компьютерах с 1999 года. Такая память непосредственно под держивается в наборах микросхем системной логики. Аналогичный тип памяти уже исполь зовался в игровых приставках — в популярной модели Nintendo 64.
Обычные типы памяти (FPM/RDO и SDRAM) иногда называют устройствами с широким каналом. Ширина канала памяти равна ширине шины данных процессора (в системах Pentium — 64 бит). Максимальная производительность памяти SDRAM в исполнении DIMM составляет 100?8 (частота ? количество передаваемых данных за один такт), или 800 Мбайт/с. В то же время память RDRAM является устройством с узким каналом передачи данных. Ко личество данных, передаваемых за один такт, достигает только 16 бит (2 байт), не считая двух до полнительных битов контроля по четности, однако скорость передачи данных гораздо выше. Микросхемы RDRAM увеличивают пропускную способность памяти: в них предусмотре на “удвоенная” (16-разрядная) шина передачи данных, частота увеличена до 800 МГц, а про пускная способность равна 1,6 Гбайт/с. Для повышения производительности можно исполь зовать двух- и четырехканальные RDRAM, которые позволяют увеличить скорость передачи данных до 3,2 или 6,4 Гбайт/с соответственно. Двухканальная память РС800 RDRAM, ис пользуемая в настоящее время, является наиболее быстрым типом памяти (ненамного опере жая PC2100 DDR SDRAM). Поддерживает ли системная плата двухканальную память RDRAM, определяется в первую очередь используемым набором микросхем системной логи ки, к которым относятся, например, Intel 840 и 850.
Один канал памяти Rambus может поддерживать до 32 отдельных устройств RDRAM (микросхем RDRAM), которые устанавливаются в модули RIMM (Rambus Inline Memory Modules). Вся работа с памятью организуется между контроллером памяти и отдельным (а не всеми) устройством. Каждые 10 нс (100 МГц) одна микросхема RDRAM может передавать 16 байт. RDRAM работает быстрее SDRAM приблизительно в три раза.
Для повышения производительности было предложено еще одно конструктивное решение: передача управляющей информации отделена от передачи данных по шине. Для этого преду смотрены независимые схемы управления, а на адресной шине выделены две группы контактов: для команд выбора строки и столбца и для передачи информации по шине данных шириной 2 байта. Шина памяти работает на частоте 400 МГц; однако данные передаются по фронтам тактового сигнала, т.е. дважды в тактовом импульсе. Правая граница тактового импульса назы вается четным циклом, а левая — нечетным. Синхронизация осуществляется с помощью пере дачи пакетов данных в начале четного цикла. Максимальное время ожидания составляет 2,5 нс. На рис. 6.3 показано отношение между тактовым сигналом и циклами передачи данных. Пять полных циклов тактового сигнала соответствуют десяти циклам данных. Архитектура RDRAM также поддерживает множественные чередующиеся транзакции, одновременно выполняемые в отдельных временных областях. Следовательно, передача дан ных может быть осуществлена до завершения предыдущей передачи.
Не менее важно то, что память RDRAM потребляет мало энергии. Напряжение питания модулей памяти RIMM, как и устройств RDRAM, достигает только 2,5 В. Напряжение низко вольтного сигнала изменяется от 1,0 до 1,8 В, т.е. перепад напряжений равен 0,8 В. Кроме то го, RDRAM имеет четыре режима пониженного потребления энергии и может автоматически переходить в режим ожидания на завершающей стадии транзакции, что позволяет еще боль ше экономить потребляемую мощность.

Физическая память

Процессор и архитектура системной платы (набора микросхем) определяют емкость физиче ской памяти компьютера, а также типы и форму используемых модулей памяти. За прошедшие годы скорость передачи данных и быстродействие памяти значительно выросли. Скорость и разрядность памяти определяются процессором и схемой контроллера памяти. В современных компьютерах контроллер памяти включен в набор микросхем системной платы. В том случае, если система может физически поддерживать определенный объем памяти, тип программного обеспечения обуславливает уже более конкретные характеристики используемой памяти. Объем физической памяти компьютера зависит от типа используемого процессора и архи тектуры системной платы. В процессорах 8086 и 8088 с двадцатью линиями адреса объем памя ти не превышает 1 Мбайт (1 024 Кбайт). Процессоры 286 и 386SX имеют 24 линии адреса и мо гут адресовать до 16 Мбайт памяти. Процессоры 386DX, 486, Pentium, Pentium MMX и Pentium Pro имеют 32 линии адреса и могут взаимодействовать с памятью объемом до 4 Гбайт. Процессоры Pentium II/III/4, а также AMD Athlon и Duron имеют 36 линий адреса и в состоянии обрабатывать 64 Гбайт. Новый процессор Itanium, с другой стороны, имеет 44-разрядную адре сацию, что позволяет обрабатывать до 16 Тбайт (терабайт) физической памяти! Рис. 6.4. 184-контактный модуль RIMM
Физичесeая память 423
Режим эмуляции процессора 8088 микропроцессорами 286 и выше называется реальным режимом работы системы. Это единственно возможный режим процессоров 8088 и 8086 в компьютерах PC и XT. В реальном режиме все процессоры, даже всемогущий Pentium, могут адресовать только 1 Мбайт памяти, при этом 384 Кбайт зарезервировано для системных нужд. Полностью возможности адресации памяти процессоров 286 и последующих могут быть реализованы только в защищенном режиме.
Системы класса P5 могут адресовать до 4 Гбайт памяти, системы класса P6/P7 — до 64 Гбайт. Если внедрить поддержку 64 Гбайт (65 536 Мбайт) памяти в современную систему, то ее стои мость достигла бы примерно 70 тыс. долларов! Более того, объем наибольших модулей памяти DIMM, имеющихся на сегодняшний день, равен 1 Гбайт. Поэтому для установки 64 Гбайт опера тивной памяти потребуется системная плата, содержащая 64 разъема DIMM. Следует заметить, что в большинстве систем поддерживается только до четырех разъемов DIMM.
Системные платы обычно содержат от трех до шести разъемов DIMM, которые позволя ют при полном их заполнении достичь максимального объема 0,75–1,5 Гбайт. Максимальный объем установленной памяти определяется не процессором, а большей частью свойствами набора микросхем. Существующие процессоры позволяют адресовать, как уже отмечалось, до 64 Гбайт памяти, но возможности наборов микросхем ограничены объемом в 1 Гбайт. Существует еще целый ряд определенных ограничений. Первые системы класса P5 появи лись в 1993 году, но только с 1997 года (или даже позже) в этих компьютерах стали использо ваться наборы микросхем системной логики, поддерживающие память SDRAM DIMM. Более того, наборы микросхем класса P5, например Intel 430TX, поддерживают теоретически 256 Мбайт оперативной памяти, а на самом деле не более 64 Мбайт, что связано с ограничением объема кэшируемой памяти. Так что для систем класса P5 более 64 Мбайт памяти следует уста навливать только при условии, что кэш-память второго уровня конкретной системной платы сможет взаимодействовать с таким объемом памяти. Современные системные платы поддержи вают, в зависимости от их разновидностей, до 256 и 512 Мбайт или 1 Гбайт RAM.
Модули SIMM и DIMM
Изначально оперативная системная память устанавливалась в виде отдельных микросхем, которые благодаря своей конструкции получили название микросхем с двухрядным располо жением выводов (Dual Inline Package — DIP). Системные платы оригинальных систем IBM XT и АТ содержали до 36 разъемов, предназначенных для подключения микросхем памяти. В дальнейшем микросхемы памяти устанавливались на отдельных платах, которые, в свою оче редь, подключались в разъемы шины. Я до сих пор помню, сколько времени отнимала эта утомительная и однообразная работа.
При использовании микросхем DIP, требующих существенных затрат времени и сил, воз никала еще одна печально известная проблема: через какое-то время, в результате термоди намических циклов микросхемы памяти выходили из своих гнезд. Это было связано с перио дическим нагреванием и охлаждением компьютера, возникающим при включении и выклю чении питания. В конечном счете это приводило к потере контактов и появлению ошибок памяти. К счастью, для решения этой проблемы было достаточно повторно вставить микро схему в соответствующее гнездо.
В одном из альтернативных вариантов микросхемы памяти впаивались в системную плату или плату расширения. Это позволяло избежать потери контактов и делало соединение более надежным, но в то же время вызывало другую проблему. При повреждении одной из микро схем памяти на ее место приходилось впаивать другую или прибегать к замене системной платы или платы расширения, на которой она была установлена. В результате стоимость та кой памяти была слишком высокой.
424 Глава 6. Оперативная память Модуль памяти, объединивший в себе все необходимые свойства, получил название SIMM. В современных системах используются модули памяти с однорядным расположением выводов (Single Inline Memory Module — SIMM), с двухрядным расположением выводов (Dual Inline Memory Module — DIMM) или, в качестве альтернативы отдельным микросхем памяти, модули RIMM. Модули памяти представляют собой платы небольшого размера, под ключаемые в специальные разъемы системных плат или плат расширения. Микросхемы па мяти впаиваются прямо в плату модуля, а потому их удаление или замена невозможны. По этому в случае повреждения отдельной микросхемы придется заменить весь модуль памяти. По сути, модуль памяти можно считать одной микросхемой RAM большой емкости. На сегодняшний день существует два основных типа модулей SIMM, два основных типа модулей DIMM и только один тип модулей RIMM. Все они используются в настольных сис темах. Типы модулей различаются количеством выводов, шириной строки памяти или типом используемой памяти.
Существует, например, два основных типа модулей SIMM: 30-контактный (8 бит плюс 1 дополнительный бит контроля четности) и 72-контактный (32 бит плюс 4 дополнительных бита контроля четности), обладающие различными свойствами. 30-контактный модуль SIMM имеет меньшие размеры, причем микросхемы памяти могут быть расположены как на одной стороне платы, так и на обеих.
Также есть два типа модулей DIMM. Модули памяти DIMM обычно содержат стандартные микросхемы SDRAM или DDR SDRAM и отличаются друг от друга физическими характери стиками. Стандартный модуль DIMM имеет 168 выводов, по одному радиусному пазу с каждой стороны и два паза в области контакта. Модули DDR DIMM, в свою очередь, имеют 184 вывода, по два паза с каждой стороны и только один паз в области контакта. Ширина тракта данных мо дулей DIMM может быть равна 64 разрядам (без контроля четности) или 72 разрядам (с контро лем четности или поддержкой кода коррекции ошибок ЕСС). На каждой стороне платы DIMM расположены различные выводы сигнала. Именно поэтому они называются модулями памяти с двухрядным расположением выводов. Эти модули примерно на один дюйм (25 мм) длиннее мо дулей SIMM, но благодаря своим свойствам содержат гораздо больше выводов. Модуль памяти RIMM также двухсторонний. На сегодняшний день существует только один 184-контактный модуль, имеющий по одному радиусному пазу с каждой стороны и два паза, расположенных в центральной части области контакта. Ширина тракта данных модуля RIMM достигает 16 (без поддержки кода коррекции ошибок) или 18 бит (с поддержкой кода коррекции ошибок).
На рис. 6.5–6.7 показаны типичные 30- и 72-контактные модули SIMM, а также 168- контактный модуль SDRAM DIMM. Модули памяти весьма компактны, учитывая их емкость. В данный момент существует несколько их разновидностей, которые отличаются разной емкостью и быстродействием. В табл. 6.6 приведены емкости 30- и 72-контактных модулей SIMM, 168-контактных модулей DIMM и 184-контактных модулей RIMM.
Микросхемы динамической памяти (DRAM), установленные в модулях разных типов (SIMM, DIMM или RIMM), могут иметь различное быстродействие. Для модулей SIMM эта величина изменяется от 50 до 120 нс. Существуют различные версии модулей DIMM с часто тами PC66, PC100 и PC133 (соответственно 66, 100 и 133 МГц). Модули памяти DDR DIMM имеют частоту PC1600 и PC2100 (1600 и 2100 Мбайт/с соответственно). Если в систему требуется установить память с определенной частотой, то всегда можно воспользоваться модулем, частота которого выше требуемой величины. Следует заметить, что каких-либо проблем при использовании модулей памяти с разной частотой обычно не возникает. Разница в их стоимости достаточно невелика, поэтому я обычно покупаю модули памяти, частота которых выше, чем это необходимо для выполнения определенных приложе ний. Это позволяет использовать их при следующей модернизации системы. Модули памяти DIMM и RIMM содержат в себе встроенное ПЗУ (ROM), передающее па раметры синхронизации и скорости модулей, поэтому рабочая частота контроллера памяти и шины памяти в большинстве систем соответствует наименьшей частоте установленных мо дулей DIMM/RIMM. Большинство модулей DIMM содержат микросхемы памяти SDRAM, т.е. передача данных происходит в виде высокоскоростных пакетов, использующих синхро низируемый интерфейс. В модулях DDR DIMM также используются микросхемы SDRAM, но передача данных выполняется дважды в течение одного такта, т.е. вдвое быстрее. Микросхе мы памяти SDRAM поддерживают частоту шины до 133 МГц, в то время как модули памяти DDR DIMM — до 266 МГц.
В каждом модуле RIMM устанавливается микросхема Serial Presence Detect (SPD), кото рая представляет собой перезаписываемое постоянное запоминающее устройство. В нем хра нится информация о размере и типе RIMM, включающая более подробные сведения для кон троллера памяти. Контроллер считывает эту информацию и конфигурирует с ее помощью ус тановленную память.
На рис. 6.11 показана схема установки модуля RIMM. Котроллер RDRAM и тактовый ге нератор обычно устанавливаются на системной плате и являются частью компонента систем ной логики North Bridge. Как видите, три модуля RIMM подключаются последовательно к контроллеру памяти. Каждый модуль содержит 4, 8 или 16 микросхем RDRAM, а также мик росхему SPD. Каждый новый модуль RIMM необходимо подключать непосредственно за по следним установленным. В каждый пустой разъем следует установить модуль согласования. Временные характеристики работы памяти накладывают ограничение на расстояние между первым модулем RIMM и контроллером памяти на системной плате — не более 6 дюймов (15,24 мм). Общая длина шины не должна превышать расстояние, которое сигнал пройдет за четыре такта (около 5 нс).
Интересно, что Rambus не производит ни микросхем RDRAM, ни микросхем RIMM; это де лают другие компании. Rambus — это компания, специализирующаяся на разработке микро схем, а не на их производстве. Rambus позволяет другим компаниям использовать ее техноло гию при производстве устройств и модулей. Лицензию на производство памяти RDRAM полу чили по крайней мере 13 компаний, среди которых Fujitsu Ltd., Hitachi Ltd., Hyundai Electronics Industry Co. Ltd., IBM Microelectronics, LG Semiconductor Co. Ltd., Micron Technology Inc., Mitsubishi Electric Corp., NEC Corp., Oki Electric Industry Co. Ltd., Samsung Electronics Corp., Siemens AG и Toshiba Corp. Все они производят микросхемы RDRAM и модули RIMM.
Банки памяти
Расположенные на системной плате и платах памяти микросхемы (DIP, SIMM, SIPP и DIMM) организуются в банки памяти. Иметь представление о распределении памяти между банками и их расположении на плате необходимо, например, в том случае, если вы собирае тесь установить в свой компьютер дополнительную микросхему памяти. Физичесeая память 439
Кроме того, диагностические программы выводят адреса байта и бита дефектной ячейки, по которым можно определить неисправный банк памяти. Обычно разрядность банков равна разрядности шины данных процессора. Эти параметры для различных типов компьютеров приведены в табл. 6.11. Необходимую разрядность банка можно получить путем наращивания модулей SIMM или DIMM, которые применяются в большинстве современных компьютеров вместо отдельных микросхем. Если в компьютере используются 18-разрядные банки, скорее всего, каждый из них будет состоять из двух 30-контактных модулей SIMM. Все модули SIMM в одном банке должны быть одного типа и разрядности. Очевидно, что использовать 30-контактные модули SIMM в 32-разрядных компьютерах крайне неудобно, поскольку на каждый банк их нужно по четыре штуки! Кроме того, емкость таких модулей составляет 1 или 4 Мбайт, поэтому емкость каждого банка должна равняться 4 или 16 Мбайт без каких-либо промежуточных значений. Используя 30-контактные модули в 32-разрядных компьютерах, вы неизбежно ограничиваете выбор воз можных вариантов конфигурации памяти, а потому лучше этого не делать. Если же в 32- разрядном компьютере использовать 72-контактные модули, то каждый из них будет представ лять собой отдельный банк и их можно будет устанавливать или удалять по одному, а не груп пами по четыре. Это значительно проще, и к тому же повышается гибкость системы. Многие современные системы комплектуются 168-контактными модулями DIMM. Без контроля четности используется 64 бит, с контролем четности — 72 бит. Такие модули ис пользуются исключительно в системах на базе процессоров Pentium и выше, в которых один рассматриваемый модуль составляет один банк памяти.
Быстродействие памяти
Время доступа микросхем памяти колеблется от 10 до 200 нс. (Напомним, что одна нано секунда — это время, за которое свет преодолевает расстояние в 30 см.) При замене неис правного модуля или микросхемы памяти новый элемент должен быть такого же типа, а его время доступа должно быть меньше или равно времени доступа заменяемого модуля. Таким образом, заменяющий элемент может иметь и более высокое быстродействие. Обычно проблемы возникают при использовании микросхем или модулей, не удовлетво ряющих определенным (не слишком многочисленным) требованиям, например к длительно сти циклов регенерации. Вы можете также столкнуться с несоответствием в разводках выво дов, емкости, разрядности или конструкции. Время выборки (доступа) всегда может быть меньше, чем это необходимо (т.е. элемент может иметь более высокое быстродействие), при условии, конечно, что все остальные требования соблюдены.
При установке более быстродействующих модулей памяти производительность компью тера, как правило, не повышается, поскольку система обращается к ней с прежней частотой. Если память компьютера работает с предельным быстродействием, замена модулей может повысить его надежность.
Чтобы акцентировать внимание на проблемах синхронизации и надежности, Intel создала стандарт для новых высокоскоростных модулей памяти, работающих на частоте 100 и 133 МГц. Этот стандарт, называемый PC100 и PC133, поддерживается в новых наборах мик росхем системной логики. Он устанавливает пределы синхронизации и время доступа для модулей памяти. Ведь при работе на частоте 100 МГц и выше допустимые отклонения в син хронизации памяти не очень велики.
При неполадках в памяти и ее недостаточном быстродействии возникают одни и те же проблемы (обычно появляются ошибки четности или компьютер перестает работать). Сооб щения об ошибках могут возникать и при выполнении процедуры POST. Контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC) Ошибки при хранении информации в памяти неизбежны. Они обычно классифицируются как отказы и нерегулярные ошибки (сбои).
Если нормально функционирующая микросхема вследствие, например, физического по вреждения начинает работать неправильно, то все происходящее и называется постоянным отказом. Чтобы устранить этот тип отказа, обычно требуется заменить некоторую часть ап паратных средств памяти, например неисправную микросхему SIMM или DIMM. Другой, более коварный тип отказа — нерегулярная ошибка (сбой). Нерегулярная ошиб ка — это непостоянный отказ, который не происходит при повторении условий функциони рования или через регулярные интервалы.
Приблизительно 20 лет назад сотрудники Intel установили, что причиной сбоев являются альфа-частицы. Поскольку альфа-частицы не могут проникнуть даже через тонкий лист бума ги, 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, произво дители памяти избавились от этих примесей.
В настоящее время производители памяти почти полностью устранили источники альфа частиц. И многие стали думать, что проверка четности не нужна вовсе. Например, сбои в па мяти емкостью 16 Мбайт из-за альфа-частиц случаются в среднем только один раз за 16 лет! Однако сбои памяти происходят значительно чаще. 442 Глава 6. Оперативная память Сегодня самая главная причина нерегулярных ошибок — космические лучи. Поскольку они имеют очень большую проникающую способность, от них практически нельзя защитить ся с помощью экранирования.
К сожалению, производители персональных компьютеров не признали это причиной по грешностей памяти — случайную природу сбоя намного легче оправдать разрядом электро статического электричества, большими выбросами мощности или неустойчивой работой про граммного обеспечения (например, использованием новой версии операционной системы или большой прикладной программы).
Игнорирование сбоев, конечно, не лучший способ борьбы с ними. К сожалению, именно этот способ сегодня выбрали многие производители компьютеров. Лучше было бы увеличить отказоустойчивость систем. Для этого необходимы механизмы обнаружения и, возможно, исправления ошибок в памяти персонального компьютера. В основном для повышения отка зоустойчивости в современных компьютерах применяются следующие методы:
-- контроль четности;
-- коды коррекции ошибок (ECC).
Контроль четности
Это один из стандартов, введенных IBM, в соответствии с которым информация в банках памяти хранится фрагментами по девять битов, причем восемь из них (составляющих один байт) предназначены собственно для данных, а девятый является битом четности (parity). Ис пользование девятого бита позволяет схемам управления памятью на аппаратном уровне кон тролировать целостность каждого байта данных. Если обнаруживается ошибка, работа компью тера останавливается и на экран выводится сообщение о неисправности. Если вы работаете на компьютере под управлением Windows или OS/2, то при возникновении ошибки контроля чет ности сообщение, возможно, не появится, а просто произойдет блокировка системы. Модули SIMM и DIMM бывают как с битом четности, так и без него. До недавнего вре мени во всех PC-совместимых компьютерах для повышения надежности предусматривался контроль четности. Однако в компьютерах многих других компаний он никогда не использо вался. Например, в компьютерах Apple применяются те же 30- и 72-контактные модули, что и в компьютерах IBM, но, поскольку в них практически никогда не устанавливаются схемы контроля четности, для них подходят более дешевые 30-контактные 8-разрядные модули SIMM, а не 9-разрядные, как для IBM-совместимых компьютеров. То же самое относится и к 72-контактным модулям SIMM. В компьютерах Apple можно применять и модули SIMM с битом четности (“лишний” разряд просто игнорируется). Однако если попытаться установить в компьютер IBM модуль SIMM без бита четности, то сообщения об ошибках будут посту пать непрерывно и система окажется неработоспособной.
Во всех процессорах, начиная с 386-го, схема контроля четности встроена в саму микро схему, поэтому никакие дополнительные микросхемы на системную плату устанавливать не нужно. В большинстве системных плат предусмотрена возможность отключения схем кон троля четности для того, чтобы на них можно было устанавливать модули памяти без бита четности. К сожалению, некоторые системы вообще не поддерживают контроль четности. Данный факт ставит под сомнение четкую работу системы с критическими приложениями, требующими контроля четности.
При разработке схемы контроля четности IBM установила, 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 пла те или на плате памяти) подсчитывает количество единиц в байте. Если оно четное, на выхо Физичесeая память 443 де микросхемы формируется сигнал логической единицы, который сохраняется в соответст вующем разряде памяти как девятый бит (бит четности). Количество единиц во всех девяти разрядах при этом становится нечетным. Если же количество единиц в восьми разрядах ис ходных данных нечетное, то бит четности равен 0 и сумма двоичных цифр в девяти разрядах также остается нечетной.

Увеличение объема памяти

Увеличение существующего объема памяти — один из наиболее эффективных и дешевых способов модернизации, особенно если принять во внимание возросшие требования к объему памяти операционных систем Windows 9х, Windows NT, Windows 2000, Windows XP и OS/2. В некоторых случаях увеличение объема в два раза приводит к такому же (а иногда и боль шему) повышению производительности системы.
Ниже рассматривается процесс увеличения объема памяти, включая выбор микросхем памяти, их установку и последующее тестирование.
Стратегия модернизации
Добавление памяти — сравнительно недорогая операция. Кроме того, даже незначитель ное увеличение памяти может существенно повысить производительность компьютера. Каким образом можно добавить память в PC? Для этого существует три способа.
-- Добавление памяти в свободные разъемы системной платы.
-- Замена установленной памяти памятью большего объема.
-- Приобретение платы расширения памяти.
Добавление дополнительной памяти в устаревшие PC- или XT-совместимые системы не эффективно, так как плата с двумя мегабайтами дополнительной памяти может стоить доро же всего компьютера. Кроме того, данный тип памяти бесполезен при использовании Windows, а компьютеры класса PC или XT не смогут работать под управлением OS/2. Лучше приобретите более мощный компьютер, например недорогой Pentium II, с большими возмож ностями модернизации.
Если вы решите собрать более мощную систему, память компьютеров классов PC или XT окажется ненужной. Восьмиразрядные платы памяти непригодны для систем с архитектурой ISA или MCA (быстродействие таких микросхем памяти обычно неадекватно скорости рабо ты новых систем). Многие новые системы вместо микросхем используют быстродействую щие модули SIMM или DIMM. Груда микросхем на 64 или 256 Кбайт с быстродействием 150 нс будет бесполезной, если ваша следующая система, в которой используются модули SIMM, имеет время доступа меньше 70 нс.
Прежде чем добавлять в компьютер микросхемы памяти (или заменять дефектные микро схемы), следует определить тип необходимых микросхем памяти. Эта информация должна содержаться в документации к вашей системе.
Если необходимо заменить дефектную микросхему памяти и нет возможности обратиться к документации, то тип установленных микросхем можно определить путем их визуального осмотра. На каждой микросхеме есть маркировка, которая указывает ее емкость и быстро действие. После этого обратитесь в ближайший компьютерный магазин с просьбой опреде лить тип соответствующего чипа памяти для вашего компьютера.
Замечание
Собираясь oстановить в eомпьютер память емeостью более 64 Мбайт, предварительно oбедитесь, что набор миeросхем сможет eэшировать таeой объем. Увеличение объема памяти 447 Выбор и установка микросхем памяти, модулей SIMM или DIMM Если вы хотите расширить вычислительные возможности системной платы путем добав ления памяти, строго следуйте указаниям производителя микросхем памяти или модулей. В персональном компьютере могут использоваться модули памяти DIP, SIMM, SIPP и DIMM, причем можно устанавливать модули как одного типа, так и нескольких. Производитель системной платы компьютера определяет, какие микросхемы памяти бу дут в нем использоваться: DIP, SIMM или DIMM.
Используемые микросхемы памяти, независимо от их типа, образуют банки памяти, т.е. со вокупность микросхем, которые составляют блок памяти. Каждый банк считывается процессо ром за один такт. Банк памяти не будет работать до тех пор, пока окончательно не заполнится. Установка дополнительной памяти на системной плате — несложный способ увеличить объем памяти компьютера. Большинство систем имеют хотя бы один незанятый банк памяти, в который можно установить дополнительную память и таким образом повысить производи тельность компьютера.
Установка микросхем памяти
В том случае, если все разъемы памяти на системной плате заняты, лучшим решением бу дет удаление одного из существующих банков памяти и последующая его замена модулем большей емкости. Допустим, что системная плата поддерживает два модуля DIMM (каждый из которых представляет собой один банк памяти для процессора с 64-разрядной шиной дан ных). Емкость каждого установленного модуля 64 Мбайт, что составляет в целом 128 Мбайт. При замене одного из них модулем емкостью 128 Мбайт суммарный объем оперативной па мяти увеличится до 192 Мбайт.
При установке или удалении памяти вы можете столкнуться со следующими проблемами:
-- накопление электростатических зарядов;
-- повреждение выводов микросхем;
-- неправильно установленные модули SIMM и DIMM;
-- неправильное положение перемычек и переключателей.
Чтобы предотвратить накопление электростатических зарядов при установке чувстви тельных микросхем памяти или плат, не надевайте одежду из синтетических тканей или обувь на кожаной подошве. Удалите все накопленные статические заряды, прикоснувшись к корпусу системы до начала работы, или, что еще лучше, наденьте на запястье специальный браслет. Его можно купить в магазине электроники. Браслет представляет собой проводящий ремешок, соединенный проводом с корпусом компьютера (обычно с помощью зажима типа “крокодил”). Чтобы заземлить корпус, не вынимайте вилку из сети питания, а просто выклю чите компьютер.
Внимание!
Убедитесь, что вы использoете именно промышленный заземляющий браслет, и не пытайтесь изaотовить еaо самостоятельно. Промышленные браслеты имеют определенное сопротивление, eоторое защитит вас, если вы слoчайно приeоснетесь e тоeопроводящим частям eомпьютера. Сопротивление aарантирoет, что вы не ста нете “проводниeом”. 448 Глава 6. Оперативная память Каждая микросхема (или модуль памяти) должна быть установлена соответствующим об разом. На одном конце микросхемы имеется маркировка. Это может быть вырез, круглое уг лубление или и то и другое. Гнездо микросхемы также может иметь соответствующую мар кировку. Наконец, на системной плате может быть указано, как правильно вставить микро схему. Если в гнезде нет маркировки, используйте в качестве образца уже установленные микросхемы. Ориентация выреза указывает положение первого вывода микросхемы. Хотелось бы еще раз напомнить: перед установкой модулей памяти не забудьте выклю чить компьютер. Установка модулей при включенном питании может привести к поврежде нию не только самого модуля, но и системной платы (даже в том случае, если компьютер на ходился в режиме ожидания).
Для удаления модулей SIMM или DIMM нажмите на фиксатор и извлеките модуль из разъема. Чтобы установить модули, выполните описанные действия в обратном порядке. После установки модулей памяти и завершения сборки системы загрузите программу BIOS Setup и установите новые параметры памяти. В современных системах для установки новой конфигурации памяти не придется использовать перемычки или переключатели системной пла ты. При загрузке системы новый объем памяти, как правило, определяется автоматически, после чего происходит изменение соответствующих параметров конфигурации BIOS Setup.
Установка модулей SIMM
Под небольшим углом осторожно вставьте микросхему в гнездо, убедившись, что каждый вывод совпал с отверстием разъема, а затем надавливайте на микросхему двумя большими пальцами до тех пор, пока она полностью не войдет в разъем, после чего, надавив на края мо дуля, установите его вертикально, как показано на рис. 6.14. Механизм фиксации модуля SIMM показан на рис. 6.15. Ориентация модуля SIMM определяется вырезом, расположенным только с одной стороны модуля. В гнезде есть выступ, который должен совпасть с вырезом на одной стороне SIMM. Благодаря выступу установить модуль SIMM “наоборот” можно только в случае повреждения гнезда. Если на системной плате нет никаких подсказок, обратитесь к описанию системы.

Устранение ошибок памяти

Устранить ошибки памяти довольно сложно, поскольку не всегда удается идентифициро вать вызвавшую их проблему. Чаще всего пользователи винят во всех сбоях программное обеспечение, хотя на самом деле во всем виновата память. В этом разделе речь пойдет о вы явлении ошибок памяти и способах их устранения.
Для устранения ошибок памяти в первую очередь необходимо иметь под рукой несколько диагностических программ. Обратите внимание, что некоторые ошибки памяти могут быть вы явлены одной программой и оказаться невидимыми для другой. При включении компьютера каждая системная BIOS проверяет память. В большинстве случаев проблемы с памятью могут быть выявлены на этом этапе. В более сложных ситуациях необходимо применять другие диаг ностические средства, например коммерческую диагностическую программу Check-It, находя щуюся на прилагаемом к книге компакт-диске. Практически все современные диагностические программы имеют модуль тестирования памяти.
При запуске компьютера POST не только проверяет память, но и вычисляет ее объем. За тем этот объем памяти сравнивается с записанным в параметрах BIOS, и в случае несоответ ствия генерируется сообщение об ошибке. Если в процессе работы POST при проверке памя ти появляется ошибка, то BIOS генерирует звуковой сигнал, параметры которого указывают на причину ошибки. Более подробно коды ошибок и процедура POST описываются в главе 5, “Базовая система ввода-вывода”.
Компакт-диск, прилагаемый к этой книге, содержит подробный перечень звуковых сигна лов базовой системы ввода-вывода и кодов ошибок, характерных для той или иной системы Устранение ошибоe памяти 451 BIOS. Список кодов BIOS приведен в разделе Technical Reference (Техническое руководство) в печатаемом формате PDF. В предлагаемом перечне приведены коды звуковых сигналов, ис пользуемых BIOS для индикации неисправимых ошибок памяти.
Если система загружается нормально, но в процессе работы появляются ошибки, необхо димо воспользоваться диагностическими программами. Если и в процессе диагностики с по мощью программных средств не выявлена причина ошибки, то воспользуйтесь тестерами мо дулей SIMM/DIMM для более детальной проверки работоспособности памяти. С помощью этих устройств можно проверить те параметры, которые нельзя проверить диагностическими программами.
Чаще всего память служит причиной следующих ошибок:
-- ошибки четности, генерируемые системной платой;
-- ошибки типа general protection fault, вызванные повреждением данных запущенной программы в памяти, что приводит к остановке приложения;
-- ошибки типа fatal exception, возникающие при выполнении программой недопусти мых инструкций;
-- ошибки деления, вызванные попыткой деления на нуль, которая приводит к ошибке записи результата в регистр памяти.
Некоторые из приведенных типов ошибок являются аппаратными (сбои в цепи питания, статические заряды и т.д.), а некоторые — программными (некорректно написанные драйве ры устройств, ошибки в программах и т.д.). Большинство ошибок памяти можно выявить с помощью диагностических программ. Перед их использованием рекомендую отключить кэ ширование памяти, поскольку при работе диагностической программы данные будут записы ваться в кэш, а затем в оперативную память. При отключении кэширования данные будут за писываться непосредственно в память.

Логическая организация памяти

Адресное пространство первого PC составляло всего 1 Мбайт, верхние 384 Кбайт которо го были зарезервированы для использования самой системой. Размещение зарезервированно го пространства в верхней области (между 640 Кбайт и 1 Мбайт) вместо использования ниж ней области памяти (между 0 и 384 Кбайт) привело к появлению так называемого барьера ос новной памяти. Постоянная необходимость достижения совместимости системы и периферийного оборудования и сегодня не всегда позволяет разработчикам отступать от стандартной конфигурации первого PC. Вот почему вопросы распределения памяти в совре менных персональных компьютерах так и остались запутанными. Несмотря на то что со вре мени появления первого PC прошло более десяти лет, в новейших системах с процессором Pentium II используется то же распределение памяти, что и в первых компьютерах. Эволюция работы процессоров с памятью, а также средства управления памятью в Windows 9х, Windows NT/2000, Windows XP, Linux, OS/2 и UNIX описываются в специальной литературе по этим операционным системам.
Всякий, кто собирается серьезно разобраться в PC, рано или поздно столкнется с тем, что в системе существуют разные типы участков памяти. Одни из них имеют больший объем, дру гие — меньший, одни могут использоваться при работе прикладных программ, другие — нет. Ниже рассматриваются участки (блоки) памяти, используемые в современных компьютерах:
-- основная память (Conventional Memory);
-- верхняя память (Upper Memory Area — UMA);
-- область верхних адресов ( High Memory Area — HMA);
-- дополнительная память (eXtended Memory Specification — XMS);
-- расширенная память (Expanded Memory Specification — EMS); является устаревшей разновидностью;
-- видеопамять (Video RAM Memory); расположена в области верхней памяти;
-- область ROM адаптеров и RAM специального назначения; расположена в области верхней памяти;
-- ROM BIOS; также расположена в области верхней памяти.
В последующих разделах речь идет о предотвращении конфликтов, возникающих при ис пользовании различных областей памяти, о применении программ-диспетчеров для ее опти мизации и более эффективной эксплуатации. В компьютерах класса AT верхняя граница дос тупной памяти выходит за предел 1 Мбайт и достигает 16 Мбайт в компьютерах с процессо рами 286, 4 Гбайт (4 096 Мбайт) в компьютерах с процессорами 386DX и 64 Гбайт в компьютерах с процессорами Pentium II.
На рис. 6.19 приведена схема расположения адресов для различных областей памяти в PC- совместимых компьютерах. При работе процессора в реальном режиме доступен только 1 Мбайт памяти, а в защищенном режиме — все 16, 4 096 или 65 536 Мбайт. Каждая строка на рисунке соответствует сегменту в 64 Кбайт, а вся карта распределения системной памяти включает первые 2 Мбайт.
Замечание
На eарте поeазаны тольeо два первых меaабайта памяти, в действительности же eартo распределения памяти можно составить для маeсимальноaо объема. Основная память В первых компьютерах PC/XT рабочее пространство памяти составляло 1 Мбайт и называ лось памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory — RAM) или оперативной памятью. Это пространство было разделено на несколько областей, часть из которых предна значалась для специальных целей. DOS может обращаться ко всему пространству размером 1 Мбайт, но программы можно загружать только в область памяти, называемую основной па мятью (conventional memory), емкость ее в первом PC была равна 512 Кбайт. Оставшиеся 512 Кбайт были зарезервированы для использования некоторыми компонентами компьютера, такими как системная плата и платы адаптеров, установленных в разъемах расширения. После выпуска первого PC компания IBM пришла к выводу, что для обслуживания систе мы вполне достаточно области размером 384 Кбайт, поэтому в следующих компьютерах объ ем доступной для использования памяти был увеличен до 640 Кбайт. Эти 640 Кбайт стали стандартным объемом памяти, который DOS может использовать для выполнения программ (барьер в 640 Кбайт). Память свыше 640 Кбайт зарезервирована для графических плат и дру гих адаптеров, а также для системной ROM BIOS.
Впрочем, барьер в 640 Кбайт имеет значение только для 16-разрядных программ, таких как DOS и Windows 3.1. Что касается 32-разрядных программ, таких как Windows 9х и NT/2000, то на них он не оказывает существенного влияния.