Как происходит чтение из памяти dram кратко

Обновлено: 02.07.2024

SDRAM: Определение

Микросхемы SDRAM: Физическая организация и принцип работы

Схема обращения к ячейке памяти в самом общем случае может быть представлена следующим образом:

В современных микросхемах SDRAM схема обращения к ячейкам памяти выглядит аналогично. Далее, в связи с обсуждением задержек при доступе в память (таймингов памяти), мы рассмотрим ее более подробно.

Микросхемы SDRAM: Логическая организация

Модули SDRAM: Организация

Модули памяти: Микросхема SPD

Тайминги памяти

Схема доступа к данным микросхемы SDRAM

1. Активизация строки

2. Чтение/запись данных

3. Подзарядка строки

Соотношения между таймингами

В заключение этой части, посвященной задержкам при доступе к данным, рассмотрим основные соотношения между важнейшими параметрами таймингов на примере более простых операций чтения данных. Как мы рассмотрели выше, в самом простейшем и самом общем случае — для пакетного считывания заданного количества данных (2, 4 или 8 элементов) необходимо осуществить следующие операции:

1) активизировать строку в банке памяти с помощью команды ACTIVATE;

2) подать команду чтения данных READ;

3) считать данные, поступающие на внешнюю шину данных микросхемы;

В то же время, минимальному времени активности строки (от подачи команды ACTIVATE до подачи команды PRECHARGE, t_RAS), по его определению, как раз отвечает промежуток времени между началом первой и началом четвертой операции. Отсюда вытекает первое важное соотношение между таймингами памяти:

где t_RCD время выполнения первой операции, t_CL второй, (t_BL — (t_CL — 1)) третьей, наконец, вычитание единицы производится вследствие того, что период t_RAS не включает в себя такт, на котором осуществляется подача команды PRECHARGE. Сокращая это выражение, получаем:

В настоящее время используются запоминающие устройства трёх типов: ROM (read only memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory), S-RAM (Static RAM).

DRAM (Dynamic Random Access Memory Динамическая память с произвольным доступом) — оперативная или энергозависимая память, является рабочей областью процессора. Именно здесь во время работы хранятся активные программы и данные. Оперативная память — это временное хранилище данных и поэтому перед отключением компьютера или нажатием кнопки сброса, внесённые во время работы изменения, должны быть сохранены на устройстве постоянной памяти, как правило, это жёсткий диск. Поскольку обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависят от порядка их расположения, то устройства оперативной памяти иногда ещё называют запоминающим устройством с произвольным доступом.

Содержание

DRAM-память (мировой рынок)

Структура

Основной особенностью DRAM является динамическое хранение данных. Это даёт возможность многократно записывать информацию в оперативную память, но при этом возникает необходимость постоянно обновлять данные. Фактически перезапись происходит каждые 15 мкс. Существует также статическая оперативная (или кеш) память (S-RAM), не требующая постоянного обновления данных. И один и другой вид функционирует только при включённом компьютере. Оперативная память физически представляет собой набор микросхем, которые подключаются к системной плате. Поскольку характеристики этих микросхем весьма различны, то для нормальной работы они должны быть совместимы с системой.

Принцип действия

На практике существуют разные способы реализации динамической памяти. Упрощенная структурная схема одного из способов реализации приведена на рисунке 1.

Как видно из рисунка, основным блоком памяти является матрица памяти, состоящая из множества ячеек, каждая из которых хранит 1 бит информации.

Каждая ячейка состоит из одного конденсатора (С) и трех транзисторов. Транзистор VT1 разрешает или запрещает запись новых данных или регенерацию ячейки. Транзистор VT3 выполняет роль ключа, удерживающего конденсатор от разряда и разрешающего или запрещающего чтение данных из ячейки памяти. Транзистор VT2 используется для считывания данных с конденсатора. Если на конденсаторе есть заряд, то транзистор VT2 открыт, и ток пойдет по линии AB, соответственно, на выходе Q1 тока не будет, что означает – ячейка хранит бит информации с нулевым значением. Если заряда на конденсаторе нет, то конденсатор VT2 закрыт, а ток пойдет по линии AE, соответственно, на выходе Q1 ток будет, что означает – ячейка хранит бит информации со значением “единица”.

Заряд в конденсаторе, используемый для поддержания транзистора VT2 в открытом состоянии, во время прохождения по нему тока, быстро расходуется, поэтому при чтении данных из ячейки необходимо проводить регенерацию заряда конденсатора.

Для работы динамической памяти на матрицу должно всегда поступать напряжение, на схеме оно обозначено, как Uп. С помощью резисторов R напряжение питания Uп равномерно распределяется между всеми столбцами матрицы.

Также в состав памяти входит контроллер шины памяти, который получает команды, адрес и данные от внешних устройств и ретранслирует их во внутренние блоки памяти.

Команды передаются в блок управления, который организует работу остальных блоков и периодическую регенерацию ячеек памяти.

Адрес преобразуется в две составляющие – адрес строки и адрес столбца, и передается в соответствующие дешифраторы.

Дешифратор адреса строки определяет, с какой строки надо провести чтение или запись, и выдает на эту строку напряжение.

Дешифратор адреса столбца при чтении данных определяет, какие из считанных бит данных были запрошены и должны быть выданы в шину памяти. При записи данных дешифратор определяет, в какие столбцы надо подать команды записи.

Блок работы с данными определяет, какие данные, в какую ячейку памяти требуется записать, и выдает соответствующие биты данных для записи в эти ячейки.

Блоки регенерации определяют:

когда происходит чтение данных и надо провести регенерацию ячейки, из которой данные были считаны;
когда происходит запись данных, а, следовательно, регенерацию ячейки производить не надо.

Буфер данных сохраняет всю считанную строку матрицы, так как при чтении всегда считывается вся строка целиком, и позволяет потом выбрать из считанной строки требуемые биты данных.

Рассмотрим принцип работы динамической памяти на примере структурной схемы, приведенной на рисунке 1. Рассматривать будем работу с первой ячейкой (M11). Работа остальных ячеек памяти полностью идентична.

Работа динамической памяти в состоянии покоя

И так, первое что мы рассмотрим – этот состояние покоя, когда к памяти отсутствуют обращения, и она не в стадии регенерации данных.

DRAM – память энергозависимая, поэтому работа с ней возможна только при подаче питания. На схеме подаваемое на плату питание обозначено, как Uп. Подаваемое питание распределяется между всеми столбцами матрицы памяти с помощью транзисторов R.

Если память бездействует (от контроллера шины памяти не приходит никаких команд), то от дешифратора адреса строки не выдается сигнал ни на одну линию строк (S1-Sn) матрицы памяти. Соответственно, транзисторы VT1 и VT3 ячейки памяти M11 закрыты, также как и аналогичные транзисторы всех остальных ячеек памяти.

Тут становится понятно, зачем нужен транзистор VT3. Он защищает конденсатор от разряда, когда к данной ячейки памяти нет обращения.

Рассмотрим, как в этом случае будет работать блок регенерации.

Точно такая же ситуация будет со всеми столбцами матрицы памяти.

Таким образом, при бездействии памяти конденсаторы не подзаряжаются и хранят тот заряд (а, соответственно, и тот бит данных), который у них был с момента последней подзарядки. Однако долго это продолжаться не может, так как из-за саморазрядки конденсатор, через несколько десятков миллисекунд, разрядится, и данные будут утеряны. Поэтому необходимо постоянно проводить регенерацию памяти.

Работа динамической памяти при чтении данных и регенерации

Будем рассматривать принцип чтения данных из динамической памяти на примере считывания данных из ячейки памяти М11:

Работа динамической памяти при записи данных

Будем рассматривать принцип записи данных в динамическую память на примере записи данных в ячейку памяти М11:

В результате, на входе элемента L1 будет логическая единица, а на выходе – логический ноль. Соответственно, на верхнем входе элемента L3 мы всегда имеем логический ноль, что означает – независимо от значений на нижнем входе, на выходе элемента L3 будет логический ноль.

На нижнем входе элемента L2 будет логическая единица, так как с дешифратора адреса столбцов выдается сигнал V1, а на верхнем входе будет либо ноль, либо единица, в зависимости от того, какое значение имеет бит записываемой информации.

Аналогичным образом будут записаны данные в другие столбцы матрицы памяти. В тех столбцах, в которых запись данных не требуется, будет произведено чтение данных из ячейки памяти и ее регенерация. При этом данные в буфер памяти записаны не будут.

Запись данных во все требуемые ячейки строки матрицы памяти и чтение с регенерацией из оставшихся ячеек строки производятся параллельно.

Приведенная на рисунке 1 структурная схема памяти и описанный принцип работы соответствуют одной из самых простых организаций динамической памяти. На практике такую память уже давно не используют. Со временем, она претерпела ряд изменений, позволивших ей работать гораздо быстрее. Давайте рассмотрим эти улучшения.

Конструктивные исполнения памяти DRAM

DRAM (Dynamic Random Access Memory) — оперативная или энергозависимая память, является рабочей областью процессора. Именно здесь во время работы хранятся активные программы и данные. Оперативная память — это временное хранилище данных и поэтому перед отключением компьютера или нажатием кнопки сброса, внесённые во время работы изменения, должны быть сохранены на устройстве постоянной памяти, как правило, это жёсткий диск. Поскольку обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависят от порядка их расположения, то устройства оперативной памяти иногда ещё называют запоминающим устройством с произвольным доступом.

Содержание

Мировой рынок DRAM

Структура

В настоящее время используются запоминающие устройства трёх типов: ROM (read only memory), DRAM (Dynamic Random Access Memory), S-RAM (Static RAM).

Особенности DRAM

Тайминги

Типы памяти

Оперативная память типа EDO (Extended Data Out) учитывает перекрытие синхронизации между очередными операциями доступа. Это позволяет совместить следующий цикл с предыдущим и сэкономить 10 нс. в каждом цикле. Следующим шагом в ускорении DRAM стала память Burst EDO (Burst Extended-Data-Out Dynamic Random Access Memory). По сути это та же EDO, но с еще более быстрой передачей данных. Сегодня этот тип памяти не производится, поскольку был полностью вытеснен новым форматом SDRAM. SDRAM (Synchronous DRAM) передает информацию в высокоскоростных пакетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс. Работа этого типа DRAM синхронизируется с шиной памяти, что позволяет избежать многих циклов ожидания. Ещё более усовершенствованным стандартом оперативной памяти является DDR (Double Data Rate — двойная скорость передачи данных). Удвоение скорости происходит за счёт того, что за один цикл данные передаются два раза — в начале и конце цикла. Принципиально новый тип оперативной памяти RDRAM (Rambus DRAM) используется в высокопроизводительных персональных компьютерах. Существуют двух- и четырёхканальные RDRAM, которые позволяют увеличить скорость передачи данных до 3,2 и 6,4 Гбайт\сек соответственно. Контролёр памяти RDRAM позволяет установить до трёх модулей RIMM. Со временем предполагается выпускать модули RIMM с объёмом 1 Гб (сейчас 256 Мб) с большим количеством разъёмов RIMM. А для портативных компьютеров предлагается портативная версия SO-RIMM (Small Outline RIMM).

Изначально оперативная память представляла собой микросхемы с двухрядным расположением выводов (Dual Inline Package — DIP). Системные платы содержали до 36 разъёмов для подключения этих микросхем. Чтобы облегчить процесс подключения их стали монтировать на отдельные платы которые подключались в разъёмы шины. Существует два подобных модуля памяти. SIMМ (Single Inline Memory Module), с однорядным расположением выводов и DIMM (Dual Inline Memory Modulе) с двухрядным расположением выводов или, в качестве альтернативы отдельным микросхемам памяти, модули RIMM. Подключаются они в разъёмы системных плат или плат расширения. Существует 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).

Модули памяти DIMM обычно содержат стандартные микросхемы SDRAM или DDR SDRAM и отличаются друг от друга физическими характеристиками. Стандартный модуль DIMM имеет 168 выводов, по одному радиусному пазу с каждой стороны и два паза в области контакта. Модули DDR DIMM имеют 184 вывода, по два паза с каждой стороны и один паз в области контакта. Ширина тракта данных модулей DIMM равняется 64 разрядам (без контроля четности) или 72 разрядам (с контролем 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. 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. Микросхемы динамической памяти (DRAM), установленные в модулях разных типов (SIMM, DIMM или RIMM), имеют разные характеристики. Быстродействие модулей SIMM варьируется в пределах от 50 до 120 нс на частотах 66, 100 и 133 МГц. Модули памяти DDR DIMM имеют частоту 1600 и 2100 Мбайт/с. Для передачи параметров синхронизации и скорости в модули памяти DIMM и RIMM встраивают ПЗУ (ROM). Из-за этого рабочая частота контроллера памяти и шины памяти в большинстве систем соответствует наименьшей частоте установленных модулей. В модулях DIMM и DDR DIMM используются микросхемы SDRAM. В DIMM передача данных происходит в виде высокоскоростных пакетов, а в DDR дважды в течение одного такта. Микросхемы памяти SDRAM поддерживают частоту шины до 133 МГц, в то время как модули памяти DR DIMM — до 266 МГц. Модули DIMM различаются также наличием или отсутствием буфера и разным напряжением питания. Для нормальной работы всей системы нужно учитывать эти характеристики при замене деталей.

Контроль четности и ECC

DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произвольным доступом) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

Содержание

Принцип действия

Физически DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти. [1]

Регенерация

Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно тормозит работу системы, поскольку в это время обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, в современных типах DRAM не применяется. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса — расширенный, пакетный, распределённый; наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

Среди новых технологий регенерации — PASR (англ. Partial Array Self Refresh ), применяемый компанией Samsung в чипах памяти SDRAM с низким уровнем энергопотребления. Регенерация ячеек выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные.

Параллельно с этой технологией реализуется метод TCSR (англ. Temperature Compensated Self Refresh ), который предназначен для регулировки скорости процесса регенерации в зависимости от рабочей температуры.

Характеристики памяти DRAM

Основными характеристиками DRAM являются рабочая частота и тайминги.

При обращении к ячейке памяти контроллер памяти задаёт номер банка, номер страницы в нём, номер строки и номер столбца и на все эти запросы тратится время, помимо этого довольно большой период уходит на открытие и закрытие банка после самой операции. На каждое действие требуется время, называемое таймингом.

Основными таймингами DRAM являются: задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного доступа (англ. RAS to CAS delay ), задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки, называемая временем рабочего цикла (англ. CAS delay ), задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки (англ. RAS precharge ). Тайминги измеряются в наносекундах или тактах, и чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память.

Типы DRAM

На протяжении долгого времени разработчиками создавались различные типы памяти. Они обладали разными характеристиками, в них были использованы разные технические решения. Основной движущей силой развития памяти было развитие компьютеров и центральных процессоров. Постоянно требовалось увеличение быстродействия и объёма оперативной памяти.

Страничная память

Страничная память (англ. page mode DRAM, PM DRAM ) являлась одним из первых типов выпускаемой компьютерной оперативной памяти. Память такого типа выпускалась в начале 1990-х годов, но с ростом производительности процессоров и ресурсоёмкости приложений требовалось увеличивать не только объём памяти, но и скорость её работы.

Быстрая страничная память

Быстрая страничная память (англ. fast page mode DRAM, FPM DRAM ) появилась в 1995 году. Принципиально новых изменений память не претерпела, а увеличение скорости работы достигалось путём повышенной нагрузки на аппаратную часть памяти. Данный тип памяти в основном применялся для компьютеров с процессорами Intel 80486 или аналогичных процессоров других фирм. Память могла работать на частотах 25 и 33 МГц с временем полного доступа 70 и 60 нс и с временем рабочего цикла 40 и 35 нс соответственно.

EDO DRAM — память с усовершенствованным выходом

C появлением процессоров Intel Pentium память FPM DRAM оказалась совершенно неэффективной. Поэтому следующим шагом стала память с усовершенствованным выходом (англ. extended data out DRAM, EDO DRAM ). Эта память появилась на рынке в 1996 году и стала активно использоваться на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше. Её производительность оказалась на 10-15 % выше по сравнению с памятью типа FPM DRAM. Её рабочая частота была 40 и 50 МГц, соответственно, время полного доступа — 60 и 50 нс, а время рабочего цикла — 25 и 20 нс. Эта память содержит регистр-защелку (англ. data latch ) выходных данных, что обеспечивает некоторую конвейеризацию работы для повышения производительности при чтении.

SDR SDRAM — синхронная DRAM

В связи с выпуском новых процессоров и постепенным увеличением частоты системной шины, стабильность работы памяти типа EDO DRAM стала заметно падать. Ей на смену пришла синхронная память — Single Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDR SDRAM). Новыми особенностями этого типа памяти являлись использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Также память надёжно работала на более высоких частотах системной шины (100 МГц и выше).

Если для FPM и EDO памяти указывается время чтения первой ячейки в цепочке (время доступа), то для SDRAM указывается время считывания последующих ячеек. Цепочка — несколько последовательных ячеек. На считывание первой ячейки уходит довольно много времени (60-70 нс) независимо от типа памяти, а вот время чтения последующих сильно зависит от типа. Рабочие частоты этого типа памяти могли равняться 66, 100 или 133 МГц, время полного доступа — 40 и 30 нс, а время рабочего цикла — 10 и 7,5 нс.

С этим типом памяти применялась технология Virtual Channel Memory (VCM). VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. VCM, помимо высокой скорости передачи данных, была совместима с существующими SDRAM, что позволяло делать апгрейд системы без значительных затрат и модификаций. Это решение нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.

Enhanced SDRAM (ESDRAM)

Для преодоления некоторых проблем с задержкой сигнала, присущих стандартной DRAM-памяти, было решено встроить небольшое количество SRAM в чип, то есть создать на чипе кеш.

ESDRAM — это, по существу, SDRAM с небольшим количеством SRAM. При малой задержке и пакетной работе достигается частота до 200 МГц. Как и в случае внешней кеш-памяти, SRAM-кеш предназначен для хранения и выборки наиболее часто используемых данных. Отсюда и уменьшение времени доступа к данным медленной DRAM.

Одним из таких решений являлась ESDRAM от Ramtron International Corporation.

Пакетная EDO RAM

Пакетная память EDO RAM (англ. burst extended data output DRAM, BEDO DRAM ) стала дешёвой альтернативой памяти типа SDRAM. Основанная на памяти EDO DRAM, её ключевой особенностью являлась технология поблочного чтения данных (блок данных читался за один такт), что сделало её работу быстрее, чем у памяти типа SDRAM. Однако невозможность работать на частоте системной шины более 66 МГц не позволила данному типу памяти стать популярным.

Video RAM

Специальный тип оперативной памяти — Video RAM (VRAM) — был разработан на основе памяти типа SDRAM для использования в видеоплатах. Он позволял обеспечить непрерывный поток данных в процессе обновления изображения, что было необходимо для реализации изображений высокого качества. На основе памяти типа VRAM, появилась спецификация памяти типа Windows RAM (WRAM), иногда её ошибочно связывают с операционными системами семейства Windows. Её производительность стала на 25 % выше, чем у оригинальной памяти типа SDRAM, благодаря некоторым техническим изменениям.

DDR SDRAM

По сравнению с обычной памятью типа SDR SDRAM, в памяти SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных (англ. double data rate SDRAM , DDR SDRAM или SDRAM II) была вдвое увеличена пропускная способность. Первоначально память такого типа применялась в видеоплатах, но позднее появилась поддержка DDR SDRAM со стороны чипсетов.

У всех предыдущих DRAM были разделены линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали выполняться на одной шине. Двумя из таких решений являются технологии DRDRAM и SLDRAM. Они получили наибольшую популярность и заслуживают внимания. Стандарт SLDRAM является открытым и, подобно предыдущей технологии, SLDRAM использует оба перепада тактового сигнала. Что касается интерфейса, то SLDRAM перенимает протокол, названный SynchLink Interface и стремится работать на частоте 400 МГц.

Память DDR SDRAM работает на частотах в 100, 133, 166 и 200 МГц, её время полного доступа — 30 и 22,5 нс, а время рабочего цикла — 5, 3,75, 3 и 2,5 нс.

Так как частота синхронизации лежит в пределах от 100 до 200 МГц, а данные передаются по 2 бита на один синхроимпульс, как по фронту, так и по срезу тактового импульса, то эффективная частота передачи данных лежит в пределах от 200 до 400 МГц. Такие модули памяти обозначаются DDR200, DDR266, DDR333, DDR400.

Direct RDRAM или Direct Rambus DRAM

Тип памяти RDRAM является разработкой компании Rambus. Высокое быстродействие этой памяти достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах памяти. Первоначальная очень высокая стоимость памяти RDRAM привела к тому, что производители мощных компьютеров предпочли менее производительную, зато более дешёвую память DDR SDRAM. Рабочие частоты памяти — 400, 600 и 800 МГц, время полного доступа — до 30 нс, время рабочего цикла — до 2,5 нс.

DDR2 SDRAM

Конструктивно новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM был выпущен в 2004 году. Основываясь на технологии DDR SDRAM, этот тип памяти за счёт технических изменений показывает более высокое быстродействие и предназначен для использования на современных компьютерах. Память может работать с тактовой частотой шины 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 и 600 МГц. При этом эффективная частота передачи данных соответственно будет 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 и 1200 МГц. Некоторые производители модулей памяти помимо стандартных частот выпускают и образцы, работающие на нестандартных (промежуточных) частотах. Они предназначены для использования в разогнанных системах, где требуется запас по частоте. Время полного доступа — 25, 11,25, 9, 7,5 нс и менее. Время рабочего цикла — от 5 до 1,67 нс.

DDR3 SDRAM

Этот тип памяти основан на технологиях DDR2 SDRAM со вдвое увеличенной частотой передачи данных по шине памяти. Отличается пониженным энергопотреблением по сравнению с предшественниками. Частота полосы пропускания лежит в пределах от 800 до 2400 МГц (рекорд частоты — более 3000 МГц), что обеспечивает большую пропускную способность по сравнению со всеми предшественниками.

Конструктивные исполнения памяти DRAM

Читайте также: