Тема 5.1. Оперативна пам'ять

 

План

1. Будова і принципи функціонування оперативної пам'яті.

2. Пам'ять типу ROM. Пам'ять типу DRAM.

3. Кеш-пам'ять – SRАМ.

 

1. Будова і принципи функціонування оперативної пам'яті

Оперативна пам'ять (ОЗП) – це набір мікросхем, що призначені для тимчасового зберігання даних і команд, необхідних процесору для виконання ним операцій. Оперативна пам'ять передає процесору дані безпосередньо, або через кеш-пам'ять. Кожна клітинка оперативної пам'яті має свою індивідуальну адресу.

Рис. 42. Модуль оперативної пам’яті.

Ядро мікросхеми динамічної пам'яті складається з безлічі вузлів, кожен з яких зберігає всього один біт інформації. На фізичному рівні вузли об'єднуються в прямокутну матрицю, горизонтальні лінійки якої називаються рядками (ROW), а вертикальні – стовпчиками (Column) чи сторінками (Page). Лінійки представляють собою звичайні провідники, на перетині яких знаходиться вузол – нескладний пристрій, що складається з одного транзистора і одного конденсатора.

Конденсатору відводиться роль безпосереднього зберігача інформації. Обсяг, якого складає - всього один біт. Відсутність заряду на обкладинках відповідає логічному нулю, а його наявність - логічній одиниці. Транзистор ж грає роль «ключа», який утримує конденсатор від розряду. У спокійному стані транзистор закритий, але варто подати на відповідний рядок матриці електричний сигнал, він відкриється, з'єднуючи обкладку конденсатора з відповідним їй стовпцем.

 

Рис. 43. Будова одного вузла динамічної оперативної пам’яті.

 

Чутливий підсилювач (sense amp), підключений до кожного з стовпців матриці, реагуючи на слабкий потік електронів, що подався через відкриті транзистори з конденсаторів, зчитує повністю всю сторінку. Саме сторінка є мінімальною порцією обміну з ядром динамічної пам'яті. Читання/запис окремо взятої комірки неможливий. Дійсно, відкриття одного рядка призводить до відкриття всіх, підключених до нього транзисторів, а, отже, - розряду закріплених за цими транзисторами конденсаторів.

Динамічна пам'ять є пам'ять разової дії. Для боротьби з втрати пам'яті вдаються до її регенерації – періодичному зчитуванню вузлів з подальшим перезаписом. Залежно від конструктивних особливостей регенератор може перебувати як в контролері, так і в самій мікросхемі пам'яті. У сучасних модулях пам'яті регенератор найчастіше вбудовується всередину самої мікросхеми, причому перед регенерацією вміст поновлювального рядка копіюється в спеціальний буфер, що запобігає блокування доступу до інформації.

Оперативну пам'ять іноді називають пам'яттю з довільним доступом (Random Access Memory - RAM). Це означає, що звернення до даних, що зберігаються в оперативній пам'яті, не залежить від порядку їх розташування в ній. За кілька років визначення RAM перетворилося зі звичайної абревіатури в термін, що означає основний робочий простір пам'яті, створюваний мікросхемами динамічної оперативної пам'яті (Dynamic RAM - DRAM) і використовується процесором для виконання програм. Одною із властивостей мікросхем DRAM (та оперативної пам'яті в цілому) є динамічне зберігання даних, що означає, по – перше, можливість багаторазового запису інформації в оперативну пам'ять і, по – друге, необхідність постійного оновлення даних (тобто, по суті, їх перезапис) приблизно кожні 15 мс (мілісекунд). Існує і так звана статична оперативна пам'ять (Static RAM - SRAM), яка не вимагає постійного оновлення даних. Слід зауважити, що в будь-якому випадку дані зберігаються в оперативній пам'яті тільки до виключення живлення.

Термін оперативна пам'ять часто означає не тільки мікросхеми, які складають пристрої пам'яті в системі, але й такі поняття, як логічне відображення і розміщення. Логічне відображення – це спосіб представлення адрес пам'яті на фактично встановлених мікросхемах. Розміщення – це розташування інформації (даних і команд) певного типу за конкретними адресами пам'яті системи.

Новачки часто плутають оперативну пам'ять з пам'яттю на жорсткому диску, оскільки об’єм пристроїв пам'яті обох типів виражається в однакових одиницях – мега або гігабайтах. Зрозуміти зв'язок між оперативною пам'яттю і пам'яттю на жорсткому диску можна за допомогою наступної простої аналогії.

Уявіть собі невеликий офіс, в якому співробітник обробляє інформацію, що зберігається в картотеці. У нашому прикладі шафа з картотекою буде виконувати роль жорсткого диску системи, на якому тривалий час зберігаються програми і дані. Стіл буде представляти оперативну пам'ять системи, яку в поточний момент обробляє співробітник, - його дії подібні роботі процесора. Він має прямий доступ до будь-яких документів, що знаходяться на столі. Однак, перш ніж конкретний документ опиниться на столі, його необхідно відшукати в шафі. Чим більше в офісі шаф, тим більше документів можна в них зберігати. Якщо стіл досить великий, за ним можна одночасно працювати з декількома документами. Додавання до системи жорсткого диска подібно установці ще однієї шафи для зберігання документів в офісі - комп'ютер може довготривало зберігати велику кількість інформації. Збільшення об’єму оперативної пам'яті в системі подібно встановленні більшого столу - комп'ютер може працювати з великою кількістю програм і даних одночасно.

Втім, є одна відмінність між зберіганням документів в офісі і файлів в комп'ютері: коли файл завантажений в оперативну пам'ять, його копія все ще зберігається на жорсткому диску. Зверніть увагу, що, оскільки постійно зберігати файли в оперативній пам'яті неможливо, всі змінені після завантаження в пам'ять файли повинні бути знову збережені на жорсткому диску перед вимиканням комп'ютера. Якщо змінений файл не буде збережений, то його первісна копія на жорсткому диску залишиться незмінною. Під час виконання програми в оперативній пам'яті зберігаються її дані. Мікросхеми оперативної пам'яті (RAM) іноді називають енергозалежною пам'яттю: після вимкнення комп'ютера дані, що зберігаються в них, будуть втрачені, якщо вони попередньо не були збережені на диску або іншому пристрої зовнішньої пам'яті. Щоб уникнути цього, деякі програми автоматично створюють резервні копії даних.

Файли комп'ютерної програми при її запуску завантажуються в оперативну пам'ять, в якій зберігаються під час роботи з вказаною програмою. Процесор виконує програмно реалізовані команди, що містяться в пам'яті, і зберігає їх результати. В оперативній пам'яті зберігаються коди натиснутих клавіш при роботі з текстовим редактором, а також результати математичних операцій. При виконанні команди «зберегти вміст оперативної пам'яті» зберігається у вигляді файлу на жорсткому диску.

Фізично оперативна пам'ять в системі представляє собою набір мікросхем або модулів, що містять мікросхеми, які зазвичай підключаються до системної плати. Ці мікросхеми чи модулі можуть мати різні характеристики і, щоб функціонувати правильно, повинні бути сумісні з системою, в яку встановлюються.

В наш час нові типи пам'яті розробляються набагато швидше ніж років з десять тому, і ймовірність того, що в нові комп'ютери не можна буде встановити пам'ять застарілого типу, як ніколи велика. Тому при заміні системної плати найчастіше доводиться замінювати і пам'ять. У зв'язку з цим при виборі типу встановлюваної пам'яті слід все добре обдумати і прорахувати, щоб мінімізувати витрати на майбутню модернізацію (або ремонт) комп'ютера.

У сучасних комп'ютерах використовуються запам'ятовуючі пристрої трьох основних типів.

- ROM. Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП), який не здатний виконувати операцію запису даних.

- DRAM. Динамічний запам'ятовуючий пристрій з довільним порядком вибірки.

- SRAM. Статична оперативна пам'ять.

Єдиним типом пам'яті, яку доводиться купувати і встановлювати в комп'ютері, є динамічна (DRAM). Решта її типи вбудовані або в материнську плату (ROM), або в процесор (SRAM), або в інші компоненти, такі як відеокарти, жорсткі диски і т.п.