Atmiņas moduļi.
Tehnoloģijas, attīstība.

Izstrādāja: I.Štāla Vidzemes Augstskolas Informācijas tehnoloģijas e-vidē 1.kurss

2012./2013. mācību gads

IEVADS
Operatīvā atmiņa (angļu: Random Access Memory - RAM) ir datoru atmiņa, kurai centrālais procesors spēj piekļūt tieši, tas ir - izpildīt tur esošās programmas vai apstrādāt tur esošos datus. Procesors tieši spēj piekļūt tikai operatīvajai atmiņai un lasāmatmiņai, tāpēc pirms jebkuras apstrādes vai izpildes citu veidu atmiņu saturs vispirms jāielādē operatīvajā atmiņā. Brīvpiekļuves atmiņai parasti raksturīga labāka ātrdarbība nekā diskiem, taču tās saturs pēc elektrības pārrāvuma izzūd un tur esošie dati netiek saglabāti.
Operatīvā atmiņa pieder dinamisko atmiņu kategorijai - tas nozīmē, ka darbības laikā ik pa noteiktam laika sprīdim tās saturs ir jāatjauno. Dinamiskās atmiņas pamatelements ir kondensators, kurš var atrasties uzlādētā vai neuzlādētā stāvoklī. Ja kondeksators ir uzlādēts, tad elementā ir ierakstīta vērtība 1, ja izlādēts - 0. Ideālā kondensatorā lādiņš var saglabāties bezgalīgi ilgi, taču reālajā kondensatorā pastāv strāvas noplūdes, tādēļ dinamiskās atmiņas elementā ierakstītā informācija var pazust.
Atjaunošanas (reģenerācijas) process norit katras datu ieraktīšanas vai nolasīšanas laikā. Neviena programma nevar garantēt, ka tā griezīsies pie visām atmiņas šūnām. Tāpēc ir izveidota speciāla shēma, kura ik pēc noteikta laika (piemēram, 2 ms) veiks datu nolasīšanu no visām atmiņas rindām. Šajā laikā procesors atrodas gaidīšanas režīmā. Viena cikla laikā shēma veic visu dinamiskās atmiņas rindu reģenerāciju.
Datoros lietotā operatīvā atmiņa pamatā ir veidota no silīcija mikroshēmām. Ir divi galvenie atmiņas veidi: statiskā atmiņa (SRAM, static RAM) (informācija tiek saglabāta trigeros), tai ir mazāka ietilpība, lielākas izmaksas, bet labāka ātrdarbība, to lieto par CPU kešu (cache). dinamiskā atmiņa (DRAM, dynamic RAM) (informācija tiek saglabāta kondensatorā), tai ir lielāka ietilpība, jo lai saglabātu vienu bitu informācijas, pietiek ar vienu tranzistoru (SRAM nepieciešami 6), tāpēc tai ir mazākas izmaksas, taču tā ir lēnāka un tai ir nepieciešama speciāla atmiņas atjaunošana (refresh).
Fāzu pārejas atmiņa (PRAM) – 3. Un visjaunākais veids, kas gan tiek pozicion;ets galvenokārt kā alternatīva zibatmiņām. Negaistoša tipa atmiņa, ātra, jo nav jāizdzēš jau uzkrātā informācija. Lai gan pamatprincipi jau bija zināmi no 1960-tajiem gadiem, tās ieviešana attīstījusies tikai no 2006.gada.
Agrīnie atmiņas veidi ļāva informāciju rakstīt un lasīt tikai secīgi, iepriekš noteiktā kārtībā, dēļ tehniskiem ierobežojumiem. Mūsdienās, kā jau rāda nosaukums brīvpiekļuve (random access) izpaužas integrētās shēmas formā. Strikti pieejot, mūsdienu DRAM tipi nav brīvas piekļuves, jo dati tiek nolasīti pa paketēm (burst). Tomēr daudzi tipi kā SRAM, ROM, OTP vai NOR vēl arvien ir brīvas piekļuves.
Datoru galvenā atmiņa parasti sastāv no mikroshēmām, kas atrodas uz nelielām, šaurām, garām platēm (atmiņas moduļiem). Tie iedalās pēc interfeisa specifikācijas (kontaktu skaits un izvietojums) un pēc lietotās atmiņas tehnoloģijas (visos gadījumos tā ir dinamiskā atmiņa). Vēsturiski ir bijuši sastopami dažādu veidu atmiņas moduļi. Mūsdienās izplatītākie ir DIMM moduļi parastajiem datoriem un SODIMM moduļi portatīvajiem datoriem. Vēsturiski vēl ir bijuši lietoti SIMM moduļi (līdzīgi DIMM, tikai divreiz šaurāka datu maģistrāle) un RIMM (rambus), kas bija dārgi un netika plaši lietoti.

ATMIŅAS DARBĪBAS PRINCIPI

Katrs operatīvās atmiņas elements ir elektrisko slēdžu sistēma un kondensators. Laiks, kurā elementa stāvoklis ir stabils, ir dažas milisekundes, un pēc tam informāciju ir nepieciešams atjaunot. Tāda pārraksīšanas procedūra ieguvusi apzīmējumu atjaunošana jeb reģenerācija (Refresh). Apskatītā tehnoloģiskā procesa pamatā ir lauku tranzistoru izmantošana, kurā katrs elements var glabāt vienu informācijas vienību (bitu).
Parasti atmiņas šūnas ir novietotas rindu un kolonu matricā un datu šūnas pilnā adrese dalās divās daļās - rindas adrese (row address) un kolonas adrese (column address). Rindas adreses nodošanai atmiņas mikroshēmai izmanto signālu RAS (Row Address Strobe), bet kolonas adreses - CAS (Column Address Strobe).
Tā kā informācija tiek glabāta kondensatora lādiņa veidā, lai nolasītu informāciju, ir nepieciešama iekārta ar lielu ieejas pretestību. Lai nodrošinātu strāvas noplūdi, tai ir jāierobežo kondensatora lādiņa strāva. Šī iekārta ir nolasošais pastiprinātājs, kas ir pieslēgts dinamiskās atmiņas kolonas kopējai maģistrālei.
Griežoties pie atmiņas (lasot vai rakstot) atmiņas ieejās tiek padota rindas adrese un RAS signāls. Tas nozīmē, ka katra kolonas maģistrāle savienojas ar izvelētās rindas katru šūnu. Informācija tiek nolasīta no visas atmiņas elementu rindas vienlaicīgi un saglabāta reģistrā. Neilgu laiku pēc RAS signāla uz dinamiskās atmiņas ieejām tiek padota kolonas adrese un signāls RAS. Lasīšanas laikā pēc kolonas adreses, dati tiek ņemti no rindas reģistra un padoti uz dinamiskās atmiņas izejām.
Nolasot informāciju, lasīšanas pastiprinātāji informāciju sagrauj, tāpēc tās saglabāšanai to vajag pārrakstīt no jauna: reģistra izejas atkal tiek savienotas ar kolonu kopējo maģistrāli. Ja attiecīgā šūna bija uzlādēta, tās lādiņš tiks atjaunots vēl pirms lasīšanas cikla beigām. Uz šūnām, kuras uzlādētas nebija, spriegumu nepadod.
Ja informācija atmiņā tiek ierakstīta, tiek padots signāls WR (Write) un informācija nonāk kolonas kopējā maģistrālē ne no reģistra, bet no atmiņas informatīvajām ieejām caur komutatoru. Tādā veidā, datu virzīšanos ierakstīšanas laikā nosaka kolonas un rindas adresu signāli un ierakstīšanas atļaujas signāls. Ierakstīšanas laikā datus no rindas reģistra uz izejām (DO) nepadod.

Adresācija
Galvenais operatīvās atmiņas darbā ir informācijas novietošana noteiktos atmiņas apgabalos. Lai to varētu veikt, katram atmiņas elementam ir sava adrese. Tāpēc arī dati atmiņā vat tikt izvietoti, ierakstīti un nolasīti turpmākai apstrādei bez konfliktiem.

Piekļuves laiks
Vēl viens rādītājs ir pieejas laiks. Pieejas laiku atmiņai nosaka nolasīšanas laiks (kondensatora izlādēšanās) un reģenerācijas laiks (kondensatora uzlādēšanās). Tas ir laika intervāls, kurā informācija atmiņā tiek ierakstīta vai nolasīta. Piekļuves laiku ārējiem datu nesējiem (diski) mēra milisekundēs, bet atmiņas elementiem - nanosekundēs.
Teorētiski pamaplatē var ievietot dažādu ražotāju atmiņas elementus ar dažādu pieejas laiku. Tomēr pieejas laiks nekādā gadījumā nedrīkst atšķirties vairāk par 10 ns, tādēļ labāk lietot elementus ar vienādu piekļuves laiku.

Gaidīšanas cikli
Normālai sistēmas darbībai starp procesoru un atmiņas elementiem nedrīkst būt ilgstoša saskaņošanās, lēni atmiņas elementi var sistēmu "uzkārt". Lai šo problēmu atrisinātu, atkarībā no pamatplates parametriem CMOS Setup automātiski vai ierakstot veic parametra Wait State (gaidīšanas cikls) uzstādīšanu. Šis parametrs norāda to, cik taktis procesoram ir jāizlaiž starp divām griešanās operācijām pie adresu maģistrāles. Papildus gaidīšanas taktis var būtiski palēlināt datora darbu kopumā.

Paketes režīms
Ar Intel savietojamajās mikroshēmās sākot ar 486 CPU piekļuvei pie atmiņas tiek realizēts tā saucamais paketes režīms (Burst). To realizē tā, ka nolasot no atmiņas vienu vārdu, kopā ar to tiek nolasīti vēl 3 blakus esošie. Datu pārsūtīšanas laiku taktīs parasti pieraksta tā: 7-3-3-3. Šajā pierakstā redzams, ka pirmā vārda pārsūtīšanai no RAM uz CPU nepieciešamas 7 taktis, bet pārējo - tikai trīs.

Atmiņas pamīšus adresācija
Viens no dinamiskās atmiņas ātrdarbības palielināšanas metodēm ir atmiņas vadība, izmantojot pamīšus adreses (Interleaving mode). Tā balstās uz to, ka adreses loģiski saistītiem baitiem visbiežāk atmiņā arī izvietojas pēc kārtas. Pēc piekļūšanas dinamiskās atmiņas mikroshēmai ir nepieciešama īslaicīga pauze, lai tā varētu sagatavotos nākamajai nolasīšanas/ierakastīšanas operācijai. Lai izvairītos no šādām pauzēm, ir ieviesta pamīšus adresācija, t.i. blakus esošo atmiņas šūnu ievietošana dažādās bankās. Kamēr vienā no mikroshēmām tiks veikta atmiņas reģenerācija, procesors bez aizkavēšanās var lasīt informāciju no nākamās bankas.

Atmiņas dalīšana lapās
Gaidīšanas cikli (Wait State) palēlina datora darbu. Vēl viena no ātrdarbības palielināšanas metodēm ir atmiņas sadalīšana lapās. Metode par pamatu izmanto to pašu faktu, ko iepriekšējā - CPU nākošais baits atrodas tuvumā jau nolasītajam un ir ar to loģiski saistīts. No tā seko, ka var neatkārtot RAS signālu, ja izvēlētās rindas adreses atrodas vienas lapas ietvaros, t.i. to rindas adrese ir vienāda. Atmiņu dala lapās ar izmēriem no 512 baitiem līdz vairākiem kilobaitiem.

ATMIŅAS TIPI, MODUĻI UN RAKSTUROJOŠIE LIELUMI
DRAM
Par dinamisko šo atmiņu sauc nevis tāpēc, ka tā ir būtu ātra, bet gan tāpēc, ka tās saturs periodiski ir jāatjauno. Katrs bits tiek glabāts kondensatorā un atkarībā no uzlādes / izlādes tas ir 0 vai 1. Dinamisko operatīvo atmiņu galvenokārt lieto personālajos datoros, portatīvajos datoros kā arī spēļu konsolēs. Dinamiskās atmiņas priekšrocība ir tās vienkāršajā uzbūvē (tikai viens tranzistors un kondensators ir nepieciešams vienai informācijas vienībai, kamēr SDRAM nepieciešami 6), kas ļauj sasniegt ļoti augstu blīvumu.
DRAM mikroshēmas marķē ar ciparu kodu, piemēram, 4164 un 4464. Šajā apzīmējumā 64 apzīmē saglabājamo bitu skaitu - 64 Kb. Sākotnēji DRAM ražoja kā integrētas shēmas un tās tika tieši uz mātesplates. 1989. gadā kompānija Siemens izgatavoja pirmo mikroshēmu ar ietilpību 1 Mb. Šīm mikroshēmām bija DIP (Dual In-line Package) tipa korpusi ar divām rindām kājiņu. Šo terminu attiecina uz korpusiem, kuriem kājiņas (Pins) ir novietas malās. Pats kristāls, kurā atrodas atmiņas šūnas, ir daudzkārt mazāks par pašu korpusu. Šādu korpusa konstrukciju noteica montāžas prasības ievietošanai pamatplatē, kā arī elementu darba temperatūras nodrošināšana. Vēlāk atmiņas tika montētas speciālos moduļos kā DIMM, SIMM, SIP utt.
Galvenie DRAM mikroshēmu parametri ir ietilpība un atmiņas organizācija. Kad runā par RAM tipiem, tad parasti tiek runāts par interfeisu – ligzdu.

Asinhronais DRAM
Tā ir pamata forma, no kā ir attīstījušās visas pārējās. Čipam ir strāvas savienojums, dažas adrešu ieejas (parasti 12) un dažas divvirzienu pārraides līnijas. Tam ir 4 kontroles signāli – RAS, CAS, WE, OE.

Fast page mode DRAM (FPM DRAM) Ātrās lapošanas režīma atmiņa, saukta arī par FPRAM, lapošanas atmiņa vai lapošanas DRAM. Piekļuves laiks šajās mikroshēmās salīdzinot ar parasto DRAM ir par 50% īsāks. Šajā režīmā DRAM rindu iespējams turēt „atvērtu”, nolasot CAS vienai un tai pašai rindai.
Extended data out DRAM (EDO RAM)
EDO RAM (Extended Data Otput) ir līdzīga FPM DRAM tipa atmiņai ar paplašinātu datu izvadi. Tajā tika pielietoti papildus datu glabāšanas reģistri un tādējādi tika palielināts no atmiņas vienlaicīgi izvadāmo datu daudzums. Reģistros šie dati glabājas līdz pat nākamajam pieprasījumam, tāpēc nākamās griešanās cikls pie atmiņas var sākties pirms vēl iepriekšējais būs beidzies. EDO RAM moduļi strādā par 5-10% ātrāk kā FPM DRAM un tos intensīvi sāka izmantot 1995.gadā, kad Intel izlaida 430FX procesoru, kas to atbalstīja. EDO RAM priekšrocības ir īpaši jūtamas, strādājot paketes režīmā. EDO atmiņu dažkārt sauc arī par Hyper Page Mode DRAM.
Burst EDO DRAM (BEDO RAM)
BEDO RAM mikroshēmas ir EDO RAM modifikācija, kurā četru pārraidei nododamo operandu (paketes) nolasīšana notiek automātiski. Tajā ir ievietots speciāls adrešu skaitītājs, kas izseko nākamo adresi un tādejādi spēj nolasīt datu paketes. Salīdzinot ar EDO, lieli datu bloki tiek nolasīti līdz pat 50% ātrāk.

EDRAM
EDRAM (embedded DRAM) mikroshēmās ir ievietots neliels skaits ātrdarbīgo SRAM atmiņas šūnu ar piekļuves laiku 10 - 15 ns. Tā ir integrēta uz tās pašas plates, kur procesors, kā rezultātā ir panākams lielāks kabeļu platums un augstāki operāciju ātrumi.
Synhronous DRAM (SDRAM) SDRAM ir jaunākas tehnoloģijas dinamiskās atmiņas mikroshēmas. Tās atšķiras ar to, ka visas operācijas atmiņas mikroshēmās ir sinhronizētas ar procesora takts frekvenci, t.i. atmiņa un CPU strādā sinhroni. Tas ir panākts, pielietojot iekšējo trīspakāpju konveijera mikroshēmas arhitektūru ar pamīšus adresēm. SDRAM tehnoloģija ļauj samazināt komandu izpildes un datu pārraides laiku, likvidējot gaidīšanas ciklus.

Synchronous graphics RAM (SGRAM)
SGRAM ir specializēta SDRAM forma grafiskajiem adapteriem. Tai pievienotas tādas funkcijas kā bitu maskēšana (rakstīšana noteiktā bitā, neietekmējot pārējos) un rakstīšana blokā (atmiņas bloka aizpildīšana ar noteiktu krāsu).
Double data rate (DDR) SDRAM
Jauna SDRAM modifikācija DDR (Double Data Rate) SDRAM, kura parādījusies 2000.gadā. Tālākās tās versijas ir numurētas DDR2, DD3 utt. Dubults ātrums tiek panākts, pārraidot datus divreiz viena cikla laikā. Tas samazina piekļuves laiku rindai.
Marķēta šī atmiņa tiek 2 veidos. Neoficiālajā, bet populārākajā veidā tā tiem marķēta kā DDR266, DDR333, kur 266 ir ar tehnoloģijas palīdzību dubultota 133MHz sistēmas kopne. Otrā marķējuma versija parāda sistēmas caurlaidību – PC2100 utt.
Tā patērē arī mazāk enerģijas, tādēļ tā ir piemērota portatīvajiem datoriem. Tālākā versija DDR2 atšķiras ar samazinātu barošanas spriegumu 1.8V (DDR bija 2.5V). DDR3 jau ir 1.5V un par ~40% mazāks enerģijas patēriņš. Tādejādi tā izdala mazāk siltuma un spēj panest augstākas frekvences.

Direct RAMBUS DRAM (DRDRAM)
Viena no ātrākajām DRAM atmiņām 1990-to gadu vidū bija pēc kompānijas Rambust tehnoloģijas izveidotā RDRAM (Rambus DRAM). Tajā izmantotās tehnoloģijas nosaukums ir Transmision Line Technology. Tā tika izstrādāta kā alternatīva DIMM SDRAM atmiņai.
Firma Intel izvēlējās izmantot šo atmiņu ātrdarbīgajās sistēmās ar Pentium III un turpmākajiem procesoriem. Dēļ šī iemesla tika sagaidīts, ka šis atmiņas tips kļūs par sava veida standartu, tomēr tas tika ieraukt konkurences cīņā ar DDR SDRAM un zaudēja šo cīņu dēļ izmaksās un vēlāk arī veiktspējas rādītājiem.

Moduļi

DRAM atmiņu datorā ievietot ir viegli, taču tā aizņem daudz vietas. Lai samazinātu datora sastāvdaļu izmērus, ir izstrādāti vairāki konstruktīvi risinājumi un atmiņas mikroshēmas vairs neievieto pa vienai kopējā panelī, bet apvieno vienā spiestās plates modulī. Moduļu tipi: * Single In-line Pin Package (SIPP) * Single In-line Memory Module (SIMM) * Dual In-line Memory Module (DIMM) * Rambus In-line Memory Module (RIMM), tehniski tas ir taps pats DIMM, bet tā tiek saukts dēļ tā ligzdas. * Small outline DIMM (SO-DIMM), aptuveni puse no DIMM izmēra, pārsvarā lieto portatīvajos datoros, tīkla iekārtās utml. * Small outline RIMM (SO-RIMM). Mazāka RIMM versija, tiek lietota portatīvajos datoros. Tehniski SO-DIMM, bet tiek saukts par SO-RIMM dēļ tā ligzdas.
Šīs tehnoloģijas nosaukums ir SMT (Surface Mounting Technology). SMT tehnoloģijas realizācijas rezultātā radās SIP moduļi ar vienpusēju izvadu izvietojumu (Single In-line Package, SIP). SIP modulis ir spiestā plate ar tajā kopīgi uzstādītām DRAM mikroshēmām.
SIP moduļus ievieto speciālos tiem paredzētos pamatplates kontaktos. Modulim var būt nedrošs kontakts ar pamatplati. Šie trūkumi bija par iemeslu nākamā tipa moduļu izveidei.

SIMM moduļi
SIMM modulis pēc saviem izmēriem ir līdzīgs SIP modulim, taču atšķiras ar kontaktu veidu. SIMM moduļiem ir PAD (dakšas) tipa kontakti. Tie ir izveidoti spiestā veidā un atrodas vienā plates pusē. Ar šo pusi SIMM moduļi ievieto speciālās pamatplates ligzdās. SIMM moduļiem ir drošāks elektriskais kontakts, tie ir mehāniski izturīgāki un ir izgatavoti no augstvērtīga materiāla un apzeltīti. Datoros ar 80386 un vecākiem procesoriem izmantoja 30 kontaktu SIMM moduļus ar DRAM mikroshēmām. Pamatplatē tiem paredzēto slotu skaits bija no 4 līdz 8. 80486 un Pentium procesoros izmantoja 72 kontaktu SIMM moduļus ar FPM DRAM mikroshēmām.

DIMM moduļi
Nākamais modulis bija 168 kontaktu DIMM (Dual In-line Memory Module).
DIMM moduļu iekšējā arhitektūra ir līdzīga 72 kontaktu SIMM moduļiem, bet, tā kā kontaktu skaits ir lielāks, palielinās to ražīgums.
Lai DIMM moduļus varētu pareizi atpazīt, tiem ir divi slēdži:
Pirmais starp 10 un 11 kontaktu domāts atmiņas tipa noteikšanai (FPM DRAM vai SDRAM);
Otrs atrodas starp 40 un 41 kontaktu un domāts moduļa barošanas sprieguma noteikšanai (5 V vai 3,3 V).

RIMM moduļi
RIMM ir 184 kontaktu modulis, kurā ir ievietotas RDRAM mikroshēmas. SO-RIMM ir mazāka izmēra (160 kontaktu) RIMM modulis.

Literatūras saraksts: 1. www.tomshardware.com 2. http://www.cse.scu.edu 3. http://en.wikipedia.org/ 4. http://lv.wikipedia.org/ 5. http://computer-internet-technoology.blogspot.com 6. http://home.lu.lv/