Вы знаете, что такое ОЗУ? Да конечно. Это устройство, от которого зависит скорость работы компьютера. В общем, как есть, только это определение кажется немного дилетантским. Но что такое ОЗУ? Как это работает, как работает и чем отличается один тип памяти от другого?
Компьютерная память
Оперативная память, RAM, также известная как RAM (англ. RAM) — энергозависимая часть памяти компьютера, предназначенная для хранения временных данных, обрабатываемых процессором. Эти данные хранятся в виде двоичной последовательности, то есть набора нулей и единиц. Энергозависимым он называется потому, что для его работы необходимо быть постоянно подключенным к источнику электрического тока. Вам останется только отключить его от питания, так как вся хранящаяся в нем информация будет утеряна.
Но если ОЗУ — это одна часть компьютерной памяти, то какова другая часть? Носителем для этой части памяти является жесткий диск. В отличие от оперативной памяти, она может хранить информацию без подключения к источнику питания. Жесткие диски, флэш-накопители и компакт-диски известны как ПЗУ, что означает постоянная память. Как и RAM, ROM хранит данные в виде нулей и единиц.
Для чего нужна ОЗУ
Тут может возникнуть вопрос, а зачем нам оперативная память? Нельзя ли выделить на жестком диске буфер для временного хранения данных, обрабатываемых процессором? В принципе это возможно, но это будет очень неэффективный подход.
Физическая структура оперативной памяти такова, что чтение/запись в нее происходит намного быстрее. Если бы у него было ПЗУ вместо ОЗУ, компьютер работал бы очень медленно.
Физическое устройство ОЗУ
Физически оперативная память представляет собой съемную плату (модуль) с расположенными на ней микросхемами памяти. В основе микросхемы лежит конденсатор, устройство, известное уже более ста лет.
Каждая микросхема содержит множество конденсаторов, соединенных в единую ячеистую структуру — матрицу, или иначе ядро памяти. Микросхема также содержит выходной буфер – специальный элемент, в который поступает информация перед передачей на шину памяти. Из уроков физики мы знаем, что конденсатор способен принимать только два устойчивых состояния: он заряжен или он разряжен. Конденсаторы в оперативной памяти играют ту же роль, что и магнитная поверхность винчестера, то есть удерживают электрический заряд, соответствующий одному биту информации. Наличие заряда в ячейке соответствует единице, а отсутствие – нулю.
Как в ОЗУ записывается и читается информация
Понять, как данные записываются в оперативную память и считываются из нее, будет проще, если представить ее в виде обычной таблицы. Для чтения данных из ячейки сигнал выбора адреса строки (RAS) выдается горизонтальной строке. После подготовки всех конденсаторов в выбранной строке к чтению по вертикальному столбцу отправляется сигнал выбора адреса столбца (CAS), что позволяет считывать данные из определенной ячейки массива.
Характеристика, определяющая количество информации, которое может быть записано или считано при операции чтения/записи, называется разрядностью микросхемы или, другими словами, разрядностью шины данных. Как мы уже знаем, перед передачей на шину микросхемы, а затем на центральный процессор информация сначала поступает в выходной буфер. Он общается с ядром по внутреннему каналу с пропускной способностью, равной ширине шины данных. Еще одной важной характеристикой оперативной памяти является частота шины памяти. Что это? Это частота, с которой считывается информация, и она не обязательно должна совпадать с частотой сигнала, подаваемого на матрицу памяти, что мы и увидим на примере памяти DDR.
Современные компьютеры используют так называемую синхронную динамическую оперативную память (SDRAM). Он использует специальный тактовый сигнал для передачи данных. При подаче питания на микросхему информация считывается синхронно и передается в выходной буфер.
Представим, что у нас есть микросхема памяти с шириной шины данных 8 бит, на которую подается тактовый сигнал частотой 100 МГц, в результате за одну транзакцию на выход поступает ровно 8 бит или 1 байт информации буфер через 8-битный канал. На выходной буфер поступает точно такой же тактовый сигнал, но на этот раз информация идет на шину микросхемы памяти. Умножая тактовую частоту на ширину шины данных, мы получаем еще один важный параметр: пропускную способность памяти.
8 бит * 100 МГц = 100 Мбит/с
Память DDR
Это был простейший пример работы SDR: память с одной скоростью передачи данных. Этот тип памяти сейчас практически не используется, сегодня его место занимает DDR — память с удвоенной скоростью передачи данных. Отличие SDR от DDR в том, что данные из выходного буфера такой оперативной памяти считываются не только при приходе тактового сигнала, но и при его исчезновении. Также при подаче тактового сигнала в выходной буфер от ядра памяти информация поступает не по одному каналу, а по двум, при этом ширина шины данных и частота сигнала с тактового генератора остаются прежними.
Для памяти DDR принято различать два вида частоты. Частота, с которой на модуль памяти подается тактовый сигнал, называется базовой частотой, а частота, с которой считывается информация из выходного буфера, называется эффективной частотой. Он рассчитывается по следующей формуле:
эффективная частота = 2 * базовая частота
В нашем примере с 8-битным чипом и частотой 100 МГц это будет выглядеть так.
8 бит * (2 * 100 МГц) = 200 Мбит/с
Чем отличаются DDR от DDR2, DDR3 и DDR4
Количество каналов, соединяющих ядро с выходным буфером, эффективная частота и, следовательно, пропускная способность памяти. Что касается ширины шины данных (разрядности), то в большинстве современных модулей памяти она составляет 8 байт (64 бита). Допустим, у нас есть модуль памяти DDR2-800. Как рассчитать свою производительность? Очень просто. Что такое 800? Это эффективная частота памяти в мегагерцах. Умножаем на 8 байт и получаем 6400 Мбит/с.
И последнее. Что такое пропускная способность мы уже знаем, но каков объем оперативной памяти и зависит ли он от вашей пропускной способности? Между этими двумя характеристиками нет прямой зависимости. Объем оперативной памяти зависит от количества элементов памяти. И чем больше ячеек такого типа, тем больше данных может хранить память без перезаписи и использования файла подкачки.
Оперативная память
Оперативная память (RAM, $Random\Access\Memory$ — $RAM$, Random Access Memory) — относительно небольшое запоминающее устройство, которое напрямую подключается к ЦП и предназначено для записи, чтения и хранения данных об исполняемых программах и обрабатываемых данных по этим программам.
Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, при выключении ПК информация, которая была в оперативной памяти, исчезает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой, то есть каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.
Назначение ОЗУ
Для хранения и передачи информации на ЦП, жесткий диск, другие внешние устройства используется оперативная память, которая располагается в специальных слотах на материнской плате. Оперативная память представляет собой схему из большого количества небольших конденсаторов и транзисторов (пара может хранить $1$ бит). При выключении ПК введенная информация пропадает, так как данные записывались не на жесткий диск, где они могут храниться длительное время, а находились в оперативной памяти. Но при отсутствии оперативной памяти данные пришлось бы располагать на жестком диске и тогда время доступа резко увеличилось бы, что привело бы к резкому снижению общей производительности ПК.
Итак, оперативная память используется для:
- хранение данных и команд для последующей передачи в ЦП для обработки;
- хранить результаты вычислений, выполненных процессором.
- прочитать (или записать) содержимое ячеек.
Оперативная память выполнена в виде микросхем, которые смонтированы на специальных платах и установлены на системной плате в соответствующие слоты.
Рис. 1. Модуль оперативной памяти, установленный на системной плате
При включении ПК в оперативную память загружается операционная система, затем ПО и документы. ЦП управляет загрузкой программ и данных в ОЗУ, затем данные в ОЗУ обрабатываются. Таким образом, ЦП работает с инструкциями и данными, которые находятся в оперативной памяти, а другие устройства (диски, магнитная лента, модем и т д.) действуют через него. Поэтому оперативная память оказывает большое влияние на производительность компьютера. Поскольку ОЗУ предназначено для хранения данных и программ только во время работы ПК, после отключения питания все данные в ОЗУ теряются. Прежде чем выключать компьютер, сохраните данные на жестком диске перед выходом из приложения, чтобы избежать потери данных или внесения изменений в документы.
Типы оперативной памяти
Назначить $2$ типов оперативной памяти:
- статический ($SRAM$) — используется как кеш процессора;
- динамическая ($DRAM$) — используется как оперативная память ПК.
Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать электрический заряд. Недостатками памяти $DRAM$ являются более низкая скорость записи и чтения данных и необходимость постоянной подзарядки.
Основными типами являются $SDRAM$ ($Synchronous\Dynamic\Random\Access\Memory$ – синхронная динамическая оперативная память):
$DDR$ ($Double\Data\Rate$ – двойная скорость передачи данных). Двойная скорость достигается за счет считывания данных восходящего и нисходящего каналов сигнала.
Рисунок 2. Схема платы памяти DDR
На плате ОЗУ (рис. 2) с обеих сторон расположены микросхемы с памятью. Ниже находится ключ для вставки платы в слот системной платы.
Рисунок 3. Разъемы для установки оперативной памяти
$DDR2$ отличается от $DDR$ удвоенной частотой шины, по которой данные передаются в буфер, и возможностью работать на более высокой частоте. Скорость $DDR2$ немного выше, чем у $DDR$.
$DDR3$ отличается от $DDR2$ меньшим энергопотреблением (на $40 \ %$).
$DDR4$ отличается повышенной частотной характеристикой и пониженным напряжением питания.
Пластины $DDR$, $DDR2$, $DDR3$ и $DDR4$ не взаимозаменяемы, так как имеют отличия в конструкции (смена ключа, разное количество контактов и т.п.).
Основные характеристики ОЗУ
- Емкость памяти: максимальное количество информации, которое может быть помещено в эту память, выраженное в КБ, МБ и ГБ.
- Время доступа к памяти (в наносекундах) — это минимальное время, необходимое для хранения единицы информации в памяти.
- Плотность записи (в $бит/см^2$): количество информации, которое записывается на единицу поверхности носителя.
- Модули $SIMM$ составляют $4$, $8$, $16$, $32$, $64$ МБ; Модули $DIMM$ – $16$, $32$, $64$, $128$, $256$, $512$ МБ.
- Время доступа для модулей SIMM составляет $50–70$ нс, для модулей $DIMM$ — $7–10$ нс.
Модули оперативной памяти
Оперативная память в ПК расположена на стандартных панелях, называемых модулями. Модули памяти доступны в двух типах:
- односторонняя распиновка ($SIMM$-модули) можно устанавливать только парами;
- двухсторонняя распиновка ($DIMM$-модули) можно устанавливать по одному, имеет более высокую скорость передачи.
На одну плату нельзя устанавливать разные модули.
Рис. 4. Микросхемы памяти SIMM (вверху) и DIMM (внизу)
