Энергозависима ли оперативная память

Обновлено: 06.07.2024

Энергонезависимая память ( NVM ) или энергонезависимая память - это тип компьютерной памяти, который может сохранять сохраненную информацию даже после отключения питания. Напротив, энергозависимая память требует постоянного питания для хранения данных.

Другие примеры энергонезависимой памяти включают постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), СППЗУ (стираемое программируемое ПЗУ ) и ЭСППЗУ (электрически стираемое программируемое ПЗУ), ферроэлектрическое ОЗУ , большинство типов компьютерных устройств хранения данных (например, дисковые накопители , жесткие диски , оптические диски , гибкие диски и магнитная лента ), а также ранние компьютерные методы хранения, такие как перфолента и карты .

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Энергонезависимая память обычно используется для вторичного хранения или долгосрочного постоянного хранения. Наиболее широко используемая форма первичного хранилища сегодня - это энергозависимая форма оперативной памяти (ОЗУ), что означает, что при выключении компьютера все, что содержится в ОЗУ, теряется. Однако большинство форм энергонезависимой памяти имеют ограничения, которые делают их непригодными для использования в качестве основного хранилища. Обычно энергонезависимая память стоит дороже, обеспечивает более низкую производительность или ограниченный срок службы по сравнению с энергозависимой памятью с произвольным доступом.

Энергонезависимое хранилище данных можно разделить на системы с электрической адресацией ( постоянная память ) и с механической адресацией ( жесткие диски , оптический диск , магнитная лента , голографическая память и т. Д.). Вообще говоря, системы с электрической адресацией дороги, имеют ограниченную емкость, но работают быстро, тогда как системы с механической адресацией стоят меньше за бит, но работают медленнее.

С электронным адресом

Электрически адресуемые полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства можно разделить на категории в соответствии с их механизмом записи. ПЗУ масок программируются только на заводе и обычно используются для продуктов большого объема, которые не требуют обновления после производства. Программируемая постоянная память может быть изменена после изготовления, но требует специального программиста и обычно не может быть запрограммирована в целевой системе. Программирование является постоянным, и дальнейшие изменения требуют замены устройства. Данные хранятся путем физического изменения (записи) мест хранения на устройстве.

Устройства, в основном читающие

ППЗУ является стираемым ПЗУ , который может быть изменен более чем один раз. Однако для записи новых данных в СППЗУ требуется специальная схема программатора. У EPROM есть кварцевое окно, которое позволяет стирать их ультрафиолетовым светом, но все устройство очищается за один раз. Одноразовое программируемое (OTP) устройство может быть реализовано с использованием микросхемы EPROM без кварцевого окна; это дешевле в производстве. Электрически стираемая программируемая постоянная память EEPROM использует напряжение для стирания памяти. Эти стираемые устройства памяти требуют значительного количества времени для стирания данных и записи новых данных; они обычно не настраиваются для программирования процессором целевой системы. Данные хранятся с помощью транзисторов с плавающим затвором, которым требуются специальные рабочие напряжения для захвата или высвобождения электрического заряда на изолированном управляющем затворе для хранения информации.

Флэш-память

Флэш-память - это твердотельный чип, который поддерживает хранимые данные без внешнего источника питания. Это близкий родственник EEPROM; он отличается тем, что операции стирания должны выполняться на блочной основе, а емкость существенно больше, чем у EEPROM. Устройства флэш-памяти используют две разные технологии - NOR и NAND - для отображения данных. NOR flash обеспечивает высокоскоростной произвольный доступ, чтение и запись данных в определенные области памяти; он может получить всего один байт. Флэш-память NAND читает и записывает последовательно с высокой скоростью, обрабатывая данные в блоках, однако она медленнее при чтении по сравнению с NOR. Флэш-память NAND читает быстрее, чем записывает, быстро передавая целые страницы данных. Технология NAND дешевле, чем флэш-память NOR при высокой плотности, но обеспечивает большую емкость для кремния того же размера.

Сегнетоэлектрическое ОЗУ (F-RAM)

Сегнетоэлектрическое ОЗУ ( FeRAM , F-RAM или FRAM ) - это форма памяти с произвольным доступом, аналогичная по конструкции DRAM , в обеих используются конденсатор и транзистор, но вместо простого диэлектрического слоя конденсатора ячейка F-RAM содержит тонкий сегнетоэлектрическая пленка цирконата титаната свинца [Pb (Zr, Ti) O
3 ] , обычно называемый PZT. Атомы Zr / Ti в PZT меняют полярность в электрическом поле, тем самым создавая бинарный переключатель. Благодаря тому, что кристалл PZT сохраняет полярность, F-RAM сохраняет свою память данных при отключении или прерывании питания.

Благодаря такой кристаллической структуре и влиянию на нее F-RAM предлагает отличные от других вариантов энергонезависимой памяти свойства, в том числе чрезвычайно высокую, хотя и не бесконечную, долговечность (более 10 16 циклов чтения / записи для устройств 3,3 В), сверхнизкое энергопотребление. (поскольку F-RAM не требует подкачки заряда, как другие энергонезависимые запоминающие устройства), скорости записи за один цикл и устойчивости к гамма-излучению.

Магниторезистивная RAM (MRAM)

Магниторезистивное ОЗУ хранит данные в магнитных запоминающих элементах, называемых магнитными туннельными переходами (MTJ). В первом поколении MRAM, таком как 4 Мбит Everspin Technologies , использовалась запись, индуцированная полем. Второе поколение разработано в основном с помощью двух подходов: терморегулирующей коммутации (TAS), разрабатываемой Crocus Technology , и спин-передачи крутящего момента (STT) , разрабатываемой Crocus , Hynix , IBM и рядом других компаний.

Память с фазовым переходом (PCM)

В памяти с фазовым переходом хранятся данные в халькогенидном стекле , которые могут обратимо изменять фазу между аморфным и кристаллическим состоянием за счет нагрева и охлаждения стекла. Кристаллическое состояние имеет низкое сопротивление и аморфная фаза имеет высокое сопротивление, которые позволяют тока будут включаться и выключаться , чтобы представить цифровое «1» и «0» состояние.

Память FeFET

В памяти FeFET используется транзистор с сегнетоэлектрическим материалом для постоянного сохранения состояния.

Системы с механической адресацией

Системы с механической адресацией используют записывающую головку для чтения и записи на указанный носитель данных. Поскольку время доступа зависит от физического расположения данных на устройстве, системы с механической адресацией могут иметь последовательный доступ . Например, магнитная лента хранит данные в виде последовательности битов на длинной ленте; Транспортировка ленты мимо записывающей головки необходима для доступа к любой части хранилища. Ленточный носитель может быть извлечен из накопителя и сохранен, что дает неограниченную емкость за счет времени, необходимого для извлечения размонтированной ленты.

Жесткие диски используют вращающийся магнитный диск для хранения данных; время доступа больше, чем у полупроводниковой памяти, но стоимость хранимого бита данных очень низкая, и они обеспечивают произвольный доступ к любому месту на диске. Раньше комплекты сменных дисков были обычным явлением, что позволяло увеличивать емкость хранилища. Оптические диски хранят данные, изменяя пигментный слой на пластиковом диске, и также имеют произвольный доступ. Доступны версии только для чтения и чтения и записи; съемные носители снова допускают неограниченное расширение, и некоторые автоматизированные системы (например, оптический музыкальный автомат ) использовались для извлечения и монтирования дисков под прямым программным управлением.

Органический

Thinfilm производит перезаписываемую энергонезависимую органическую сегнетоэлектрическую память на основе сегнетоэлектрических полимеров . Thinfilm успешно продемонстрировал запоминающие устройства с рулонной печатью в 2009 году. В органической памяти Thinfilm сегнетоэлектрический полимер зажат между двумя наборами электродов в пассивной матрице. Каждое пересечение металлических линий представляет собой сегнетоэлектрический конденсатор и определяет ячейку памяти.

Энергонезависимая основная память

Энергонезависимая основная память (NVMM) - это основное хранилище с энергонезависимыми атрибутами. Это применение энергонезависимой памяти создает проблемы безопасности.

Энергозависимой памятью является компьютерная память, требующая для хранения информации наличия электроэнергии (в отличие от энергонезависимой). Пока источник питания подключен к этому виду памяти, данные сохраняются. Как только тот отключается, информация быстро теряется.

Существует несколько областей применения энергозависимых запоминающих устройств. Они даже могут использоваться в качестве основного хранилища данных. Ключевым их преимуществом перед жесткими дисками является быстрая скорость обмена информацией. Кроме того, свойство энергозависимости помогает защитить сведения ограниченного доступа, поскольку они становятся недоступными при отключении источника питания. Большинство видов оперативной памяти (Random-Access Memory, RAM) — энергозависимые.

Существуют следующие основные виды энергозависимой памяти:

Статическая память

Главное преимущество статической оперативной памяти (Static RAM, SRAM) заключается в том, что она намного быстрее динамической. Ее недостаток — высокая цена. Статической памяти не требуется постоянная регенерация. Но в то же время она нуждается в непрерывном токе для поддержания разности напряжений. Для хранения одного бита информации чип статической памяти использует ячейку из 6 транзисторов.

Четыре транзистора M1-M4 формируют 2 инвертора с перекрестными обратными связями и непосредственно применяются для хранения одного бита данных. Ячейка памяти имеет 2 устойчивых состояния, которые нужны для хранения 0 или 1. Дополнительные два транзистора управляют доступом к ячейке памяти во время операций считывания и записи данных.

Энергопотребление статической памяти

Энергопотребление зависит от того, как часто осуществляется доступ к статической энергозависимой памяти, но в целом имеет небольшое значение. Иногда она может потреблять столько же электроэнергии, сколько динамическая память (при использовании на высоких частотах). С другой стороны, при нахождении в состоянии ожидания она потребляет совсем небольшое количество электроэнергии: несколько микроватт.

Применение статической памяти

Встроенная в чип статическая память применяется:

как оперативная память или кэш-память в 32-битных микроконтроллерах;
как основная кэш-память в мощных процессорах, например, семейства Х86;
в интегральных схемах специального назначения (ASIC);
в программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGA);
в программируемых логических интегральных микросхемах (ПЛИС, CPLD).

Кроме того, статическая энергозависимая память используется:

в научных и промышленных подсистемах, в автомобильной электронике;
в персональных компьютерах, маршрутизаторах и периферийном оборудовании в качестве внутренней кэш-памяти процессора и буфера жесткого диска или маршрутизатора;
в жидкокристаллических дисплеях (LCD-дисплеях) и принтерах для хранения отображаемого или печатаемого изображения.

Преимущества и недостатки статической памяти

невысокое энергопотребление;
простота (не требуется наличия схемы регенерации);
надежность.

высокая стоимость;
небольшая емкость;
большие размеры;
изменяющееся энергопотребление.

Динамическая память

Несмотря на то что оба вида энергозависимой памяти требуют наличия электрического тока для сохранения данных, они имеют некоторые различия. Динамическое оперативное запоминающее устройство (динамическое ОЗУ, DRAM) имеет большую популярность вследствие своей эффективности и стоимости. Для хранения одного бита информации в DRAM на интегральной микросхеме используется один конденсатор и один транзистор. Это позволяет эффективно применять пространство интегральной схемы и делает названный вид памяти недорогим.

Регенерация памяти

Процесс периодического считывания информации из ячеек компьютерной памяти и немедленной ее перезаписи в эти же ячейки без изменения называется регенерацией памяти. Это фоновый процесс для сохранения данных в динамической энергозависимой памяти. Он является определяющей характеристикой для такой разновидности.

Информация в динамической памяти хранится в виде наличия или отсутствия заряда на миниатюрном конденсаторе. С течением времени заряд уменьшается. Поэтому если данные своевременно не регенерировать, их можно полностью потерять. Для защиты от потери данных осуществляются их периодическое считывание и перезапись с помощью внешней схемы. В результате заряд конденсатора восстанавливается до исходного состояния.

Виды динамической памяти

Асинхронная динамическая память — первый тип DRAM, появившийся в конце 1960-х годов. Активно применялся до 1997 года, пока не был заменен синхронной DRAM. Память названа асинхронной вследствие того, что доступ к ней не синхронизируется с тактовым сигналом компьютерной системы.

Синхронная динамическая память нашла широкое применение в современных механизмах. Данный вид энергозависимой памяти компьютера отвечает на сигналы чтения и записи синхронно с сигналом системного тактового генератора. Синхронная память работает на более высоких скоростях по сравнению с асинхронной. С 1993 года этот тип является преобладающим в персональных компьютерах пользователей по всему миру.

Изначально синхронная динамическая память называлась SDRAM. В дальнейшем скорость передачи данных увеличилась в 2 раза и на рынке память появилась под названием DDR1. В дальнейшем были выпущены DDR2, DDR3 и DDR4. Последнее поколение (DDR4) было создано во второй половине 2014 года. В марте 2017 года началась разработка энергозависимых устройств памяти DDR5.

Сегодня хочется поговорить с Вами о такой важной и полезной штуке как оперативная память, в связи с чем опубликовано сразу две статьи, одна из которых рассказывает о памяти вообще (тобишь ниже по тексту), а другая рассказывает о том как эту самую память выбрать (собственно, статья находится прямо под этой, просто опубликована отдельно).

Изначально это был один материал, но, дабы не делать очередную многобуквенную страницу-простыню, да и просто из соображений разделения и систематизации статей, было решено разбить их на две.

Ну, а сейчас, приступаем.

Вводная
Общее
Как же работает оперативная память?
Подробнее
Зачем нужна эта самая оперативная память?
Компоновка модулей
Температура, лаг, энергозависимость и вообще "на пальцах"
Послесловие

Вводная

Перед каждым пользователем рано или поздно (или никогда) встает вопрос модернизации своего верного «железного коня». Некоторые сразу меняют «голову» - процессор, другие - колдуют над видеокартой, однако, самый простой и дешевый способ – это увеличение объема оперативной памяти.

Почему самый простой?

Да потому что не требует специальных знаний технической части, установка занимает мало времени и не создает практически никаких сложностей (и еще он наименее затратный из всех, которые я знаю).

Итак, чтобы узнать чуть больше о таком простом и одновременно эффективном инструменте апгрейда, как оперативная память (далее ОП), для этого обратимся к родимой теории.

Общее

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), оно же RAM (" Random Access Memory " - память с произвольным доступом), представляет собой область временного хранения данных, при помощи которой обеспечивается функционирование программного обеспечения. Физически, оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей (содержащих микросхемы), которые обычно подключаются к системной плате.

В процессе работы память выступает в качестве временного буфера (в ней хранятся данные и запущенные программы) между дисковыми накопителями и процессором, благодаря значительно большей скорости чтения и записи данных.

Примечание.
Совсем новички часто путают оперативную память с памятью жесткого диска ( ПЗУ - постоянное запоминающее устройство), чего делать не нужно, т.к. это совершенно разные виды памяти. Оперативная память (по типу является динамической - Dynamic RAM ), в отличие от постоянной - энергозависима, т.е. для хранения данных ей необходима электроэнергия, и при ее отключении (выключение компьютера) данные удаляются. Пример энергонезависимой памяти ПЗУ - флэш-память, в которой электричество используется лишь для записи и чтения, в то время как для самого хранения данных источник питания не нужен.

По своей структуре память напоминает пчелиные соты, т.е. состоит из ячеек, каждая из которых предназначена для хранения мёда определенного объема данных, как правило, одного или четырех бит. Каждая ячейка оной имеет свой уникальный «домашний» адрес, который делится на два компонента – адрес горизонтальной строки ( Row ) и вертикального столбца ( Column ).

Ячейки представляют собой конденсаторы, способные накапливать электрический заряд. С помощью специальных усилителей аналоговые сигналы переводятся в цифровые, которые в свою очередь образуют данные.

Для передачи на микросхему памяти адреса строки служит некий сигнал, который зовется RAS ( Row Address Strobe ), а для адреса столбца — сигнал CAS ( Column Address Strobe ).

С этим разобрались, идем дальше. Затронем еще один немаловажный вопрос:

Как же работает оперативная память?

Работа оперативной памяти непосредственно связана с работой процессора и внешних устройств компьютера, так как именно ей последние «доверяют» свою информацию. Таким образом, данные сперва попадают с жесткого диска (или другого носителя) в саму ОЗУ и уже затем обрабатываются центральным процессором (смотрите изображение).

Обмен данными между процессором и памятью может происходить напрямую, но чаще все же бывает с участием кэш-памяти.

Кэш-память является местом временного хранения наиболее часто запрашиваемой информации и представляет собой относительно небольшие участки быстрой локальной памяти. Её использование позволяет значительно уменьшить время доставки информации в регистры процессора, так как быстродействие внешних носителей (оперативки и дисковой подсистемы) намного хуже процессорного. Как следствие, уменьшаются, а часто и полностью устраняются, вынужденные простои процессора, что повышает общую производительность системы.

Оперативной памятью управляет контроллер, который находится в чипсете материнской платы, а точнее в той его части, которая называется North Bridge (северный мост) - он обеспечивает подключение CPU (процессора) к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ , графический контроллер (смотрите изображение).

Примечание.
Важно понимать, что если в процессе работы оперативной памяти производится запись данных в какую-либо ячейку, то её содержимое, которое было до поступления новой информации, будет безвозвратно утеряно. Т.е. по команде процессора данные записываются в указанную ячейку, одновременно стирая при этом то, что там было записано ранее.

Рассмотрим еще один важный аспект работы оперативки – это ее деление на несколько разделов с помощью специального программного обеспечения (ПО), которое поддерживается операционными системами.

Сейчас Вы поймете, о чем это я.

Подробнее

Дело в том, что современные устройства оперативной памяти являются достаточно объемными (привет двухтысячным, когда хватало и 32 Mб), чтобы в ней можно было размещать данные от нескольких одновременно работающих задач. Процессор также может одновременно обрабатывать несколько задач. Это обстоятельство способствовало развитию так называемой системы динамического распределения памяти, когда под каждую обрабатываемую процессором задачу отводятся динамические (переменные по своей величине и местоположению) разделы оперативной памяти.

Динамический характер работы позволяет распоряжаться имеющейся памятью более экономно, своевременно «изымая» лишние участки памяти у одних задач и «добавляя» дополнительные участки – другим (в зависимости от их важности, объема обрабатываемой информации, срочности выполнения и т.п.). За «правильное» динамическое распределение памяти в ПК отвечает операционная система, тогда как за «правильное» использование памяти, отвечает прикладное программное обеспечение.

Совершенно очевидно, что прикладные программы должны иметь способность работать под управлением операционной системы, в противном случае последняя не сможет выделить такой программе оперативную память или она не сможет «правильно» работать в пределах отведенной памяти. Именно поэтому не всегда удается запустить под современной операционкой, ранее написанные программы, которые работали под управлением устаревших систем, например под ранними версиями Windows (98 например).

Ещё (для общего развития) следует знать, что поддержка памяти зависит от разрядности системы, например, операционная система Windows 7, разрядностью 64 бита, поддерживает объем памяти до 192 Гбайт (младший 32 -битный собрат "видит" не больше 4 Гбайт). Однако, если Вам и этого мало, пожалуйста, 128 -разрядная Windows 8 заявляет поддержку поистине колоссальных объемов – я даже не осмеливаюсь озвучить эту цифру. Чуть подробнее про разрядность мы писали тут.

Что это такое разобрались.

Дальше, на очереди, как и гласил заголовок, у нас не менее интересный вопрос:

Зачем нужна эта самая оперативная память?

Как мы уже знаем, обмен данными между процессором и памятью происходит чаще всего с участием кэш-памяти. В свою очередь, ею управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их, т.е. кэш-контроллер загружает в кэш-память нужные данные из оперативной памяти, и возвращает, когда нужно, модифицированные процессором данные в оперативку.

После процессора, оперативную память можно считать самым быстродействующим устройством. Поэтому основной обмен данными и происходит между этими двумя девайсами. Вся информация в персональном компьютере хранится на жестком диске. При включении компа в ОЗУ с винта записываются драйверы, специальные программы и элементы операционной системы. Затем туда записываются те программы – приложения, которые мы будем запускать, при закрытии последних они будут стерты из оной.

Данные, записанные в оперативной памяти, передаются в CPU (он же не раз упомянутый процессор, он же Central Processing Unit ), там обрабатываются и записываются обратно. И так постоянно: дали команду процессору взять биты по таким-то адресам (как то: обработатьих и вернуть на место или записать на новое) – он так и сделал (смотрите изображение).

Все это хорошо до тех пор, пока ячеек памяти ( 1 ) хватает. А если нет?

Тогда в работу вступает файл подкачки ( 2 ). Этот файл расположен на жестком диске и туда записывается все, что не влезает в ячейки оперативной памяти. Поскольку быстродействие винта значительно ниже ОЗУ , то работа файла подкачки сильно замедляет работу системы. Кроме этого, это снижает долговечность самого жесткого диска. Но это уже совсем другая история.

Примечание.
Во всех современных процессорах имеется кэш ( cache ) - массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки данных, с которыми CPU работает в текущий момент, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти.

Однако, кэш-память малоэффективна при работе с большими массивами данных (видео, звук, графика, архивы), ибо такие файлы просто туда не помещаются, поэтому все время приходится обращаться к оперативной памяти, или к HDD (у которого также имеется свой кэш).

Компоновка модулей

Кстати, давайте рассмотрим из чего же состоит (из каких элементов) сам модуль.

Так как практически все модули памяти, состоят из одних и тех же конструктивных элементов, мы для наглядности возьмем стандарт SD-RAM (для настольных компьютеров). На изображении специально приведено разное конструктивное исполнение оных (чтобы Вы знали не только «шаблонное» исполнение модуля, но и весьма «экзотическое»).

Итак, модули стандарта SD-RAM ( 1 ): DDR ( 1.1 ); DDR2 ( 1.2 ).

Чипы (микросхемы) памяти
SPD ( Serial Presence Detect ) – микросхема энергонезависимой памяти, в которую записаны базовые настройки любого модуля. Во время старта системы BIOS материнской платы считывает информацию, отображенную в SPD , и выставляет соответствующие тайминги и частоту работы ОЗУ ;
«Ключ» - специальная прорезь платы, по которой можно определить тип модуля. Механически препятствует неверной установке плашек в слоты, предназначенные для оперативной памяти;
SMD -компоненты модулей (резисторы, конденсаторы). Обеспечивают электрическую развязку сигнальных цепей и управление питанием чипов;
Cтикеры производителя - указывают стандарт памяти, штатную частоту работы и базовые тайминги;
РСВ – печатная плата. На ней распаиваются остальные компоненты модуля. От качества зачастую зависит результат разгона: на разных платах одинаковые чипы могут вести себя по-разному.

Теперь обощая, упрощая.

Температура, лаг, энергозависимость и вообще "на пальцах"

Условно говоря, если очень просто, то оперативная память это много мелких ячеек, хранящих данные и каждый бит этих данных хранится зарядом (или его отсутствием) на крошечном конденсаторе в микросхеме (о чем говорилось выше по тексту).

Эта память является энергозависимой, именно поэтому во время режима сна (гибернации компьютера) содержимое памяти записывается на жесткий диск, а при пробуждении загружается обратно. Когда компьютер выключен, - память пуста.

Файл подкачки, который является "продолжением" этой памяти, логичным образом, хранит в себе данные на жестком диске, что, в общем случае, небезопасно.

Информация в ячейках со временем "теряется", причем, чем выше температура, тем быстрее это происходит.

Чтобы избежать потери сохранённых данных, они должны регулярно обновляться, чтобы восстановить заряд (если он есть) до первоначального уровня. Этот процесс обновления включает чтение каждого бита, а потом запись его обратно. Это происходит не целиком, а блоками. В процессе такого «обновления» память занята и не может выполнять обычные операции, такие как запись или хранение битов. В общем случае из-за этого обновления память тормозит каждые 7,8 мкс.

Послесловие

Собственно, это основы основ и базисный базис, а посему, надеюсь, что статья была интересна Вам как с точки зрения расширения кругозора, так и в качестве кирпичика в персональных знаниях о персональном компьютере :).

На сим всё. Как и всегда, если есть какие-то вопросы, комментарии, дополнения и тп, то можете смело бежать в комментарии, которые расположены ниже. И да, не забудьте прочитать материал по выбору этой самой оперативной памяти.

Белов Андрей (Sonikelf) Заметки Сис.Админа [Sonikelf's Project's] Космодамианская наб., 32-34 Россия, Москва (916) 174-8226

Любая микропроцессорная система, вне зависимости от типа используемого микроконтроллера или процессора, в обязательном порядке требует памяти (рис. 1). В памяти хранится исполняемая процессором программа. Там же помещаются данные, используемые при вычислениях. Данные могут поступать от датчиков или появляться в результате расчетов, они также могут изначально размещаться в памяти при программировании.

Рис. 1. Процессор использует память для хранения программ и данных

В идеальном мире для хранения данных и программ будет достаточно одного вида памяти. Однако в реальности существующие технологии памяти вынуждают пользователя искать компромисс между несколькими параметрами, например, между скоростью доступа, стоимостью и длительность сохранения данных.

Например, жесткий диск (HDD), используемый в большинстве ПК, может хранить большой объем информации и имеет относительно низкую стоимость. Кроме того, информация, размещенная на HDD, не теряется при выключении ПК. В то же время скорость обмена при работе с жестким диском оказывается достаточно низкой.

Оперативная память ПК хотя и отличается высокой ценой и не сохраняет данные при отключении питания, но вместе с тем скорость обмена данными между ОЗУ и процессором оказывается гораздо выше, чем при работе с жестким диском.

Память можно разделить на две основные категории: энергозависимую (volatile) и энергонезависимую (non-volatile). Энергозависимая память теряет свое содержимое при отключении питания. Энергонезависимая память сохраняет данные даже при отключении питания.

В общем случае энергонезависимая память работает медленнее, но стоит дешевле, чем энергозависимая память. Чаще всего энергонезависимая память используется для хранения программ и пользовательских данных. Энергозависимая память в основном необходима для хранения часто используемых данных. Кроме того, в высокопроизводительных устройствах после запуска процессора программа копируется из энергонезависимой памяти в ОЗУ и далее выполняется оттуда.

Энергонезависимая память

Почти вся энергонезависимая память использует одну и ту же базовую технологию для хранения битов данных. Значение каждого бита по существу определяется наличием или отсутствием заряда, хранимого на плавающем затворе МОП-транзистора. От заряда на этом плавающем затворе зависит, находится ли канал МОП-транзистора в проводящем состоянии или нет, тем самым, кодируется логический уровень элементарной ячейки памяти.

Инжекция или удаление заряда изолированного затвора осуществляется за счет подачи высокого напряжения определенной полярности на традиционный затвор транзистора. В результате энергонезависимая память имеет несколько важных особенностей.

Во-первых, чтобы перезаписать бит памяти, его необходимо сначала стереть. При этом механизм записи с переносом заряда характеризуется таким негативным эффектом, как деградация ячейки памяти. Деградация приводит тому, что после многочисленных циклов записи/стирания ячейка памяти теряет способность хранить заряд, то есть перестает выполнять свою главную функцию.

Различные виды энергонезависимой памяти отличаются способом организации битов в микросхеме, что в свою очередь определяет, насколько легко и как быстро к ним можно получить доступ. Таким образом, когда речь заходит об энергонезависимой памяти помимо показателей скорости и стоимости в игру вступают дополнительные факторы. Эти факторы привели к появлению различных технологий энергонезависимой памяти.

Flash

Flash чаще всего используется для хранения программ и констант в микроконтроллерах, а также для хранения загрузчика в ПК.

Существует два основных типа Flash: NAND и NOR. Оба типа Flash имеют свои достоинства и недостатки и применяются в различных приложениях.

NOR Flash, как правило, выступает в роли XIP-памяти (Execute In Place), то есть может использоваться как для хранения, так и для выполнения программ. В большинстве случаев, NOR Flash оказывается дороже и быстрее, чем NAND Flash.

NAND Flash обычно используется в SSD-дисках, USB-накопителях, а также является основным типом памяти для SD-карт.

EEPROM

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) – достаточно медленный и относительно дорогой тип памяти. Вместе с тем EEPROM обеспечивает простоту доступа к данным. Если во Flash организован постраничный доступ к памяти, то EEPROM позволяет записывать и стирать отдельные байты. Таким образом, EEPROM является оптимальным вариантом для хранения данных конфигурации и пользовательской информации во встраиваемых системах.

SSD и SD

В SSD-накопителях (Solid State Drives) и SD-картах (Secure Digital) используется NAND Flash (рис. 2). В таких накопителях работа ведется с большими блоками данных. SSD-накопители и SD-карты обеспечивают более высокую надежность, по сравнению традиционными жесткими дисками (HDD).

Рис. 2. Карта памяти SD (32 ГБ)

Для уменьшения влияния недостатков базовой технологии, в первую очередь деградации, в SSD используются специальные технологии, в том числе, схема обнаружения и исправления ошибок, а также схема равномерного использования ячеек памяти.

В отличие от SSD, SD-карты, в силу своего размера, обычно не отличаются большой емкостью и не обладают технологиями, повышающими надежность хранения данных. Следовательно, они в основном используются в приложениях, требующих не очень частого доступа к данным.

Дискретные микросхемы Flash-памяти большого объема (более нескольких Мбайт) оказываются весьма дорогими, если речь идет о мелком и среднесерийном производстве.

Таким образом, если вашему устройству требуется большой объем Flash (сотни Мбайт - Гбайты), то в большинстве случаев более экономичным решением станет использование SD-карты, по крайней мере, до тех пор, пока вы не достигнете крупносерийного производства, при котором стоимость дискретных микросхем Flash не опуститься до разумного значения.

Другие типы энергонезависимой памяти

В этом разделе кратко описаны некоторые другие типы энергонезависимой памяти, которые широко использовались в прошлом.

Постоянная память ROM. Содержимое этой памяти программируется на этапе производства и не может быть изменено в процессе эксплуатации.

Однократно программируемая пользователем память PROM (Programmable ROM). Содержимое этой памяти может быть однократно запрограммировано пользователем.

Стираемая память EPROM (Erasable Programmable ROM). Микросхемы EPROM имеют небольшое окно для стирания содержимого с помощью ультрафиолетового излучения. После стирания память EPROM может быть снова запрограммирована.

Рис. 3. Пример устаревшей микросхемы EPROM с окном для стирания УФ-светом

Энергозависимая память

Энергозависимая память RAM (Random Access Memory) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – это запоминающее устройство, которое сохраняет свое содержимое только при наличии напряжения питания. Существует два типа RAM: статическая и динамическая.

Ячейка динамического RAM или DRAM не только нуждается в присутствии напряжения питания, но и отличается постоянной потерей заряда, из-за чего содержимое DRAM требует периодической регенерации.

Статическая RAM или SRAM не требует регенерации и сохраняет свое содержимое при наличии напряжения питания.

В каких же случаях необходимо использовать SRAM или DRAM вместо любого из описанных выше энергонезависимых типов памяти? Ответ прост – в тех случаях, когда необходима высокая скорость и простота доступа к данным. Оперативная память оказывается не только намного быстрее энергонезависимых типов памяти, но и обеспечивает произвольный доступ к хранящимся в ней данным. Можно записывать или читать данные из любой области памяти с очень высокой скоростью, не беспокоясь о стирании страниц или блоков. Вместе с тем основным недостатком RAM является высокая стоимость. Таким образом, в большинстве вычислительных систем обычно используют комбинацию из RAM и flash-памяти. При этом каждый из этих типов памяти решает конкретные задачи, с учетом оптимального использования их преимуществ.

В категории энергозависимой памяти SRAM оказывается быстрее, чем DRAM, но при этом отличается и более высокой стоимостью. Это связано с тем, что для реализации ячейки SRAM требуется от четырех до шести транзисторов, а для ячейки DRAM требуется только один. Следовательно, на кристалле одного и того же размера можно уместить гораздо больше ячеек DRAM, чем ячеек SRAM.

В то же время для работы с DRAM требуется контроллер, который будет автоматически выполнять периодическую регенерацию содержимого памяти. Таким образом, использование DRAM вместо SRAM имеет смысл только в том случае, если стоимость контроллера перекрывается дешевизной DRAM-памяти.

SRAM чаще всего применяется в тех случаях, когда высокая скорость доступа имеет критическое значение, а объем необходимой памяти оказывается относительно небольшим.

Таким образом, SRAM обычно используется в микроконтроллерах, где небольшой объем статической памяти обеспечивает меньшую стоимость по сравнению с DRAM с собственным контроллером памяти. SRAM также используется в качестве высокоскоростной кэш-памяти внутри микропроцессоров, благодаря высокой скорости доступа.

Виды DRAM

Существуют различные виды DRAM. Исторически первые микросхемы DRAM сначала уступили место FPRAM (Fast Page RAM), которые в свою очередь были заменены на EDO RAM (Extended Data Output RAM), на смену которым, в конце концов, пришли микросхемы синхронной памяти DRAM или SDRAM.

Новые поколения SDRAM используют двойную скорость передачи данных (SDRAM included Double Data Rate). Речь идет о DDR2, DDR3 и DDR4.

Хотя каждое новое поколение SDRAM имело некоторые улучшения по сравнению с предыдущими поколениями, следует отметить, что сама базовая динамическая ячейка ОЗУ оставалась практически без изменений и обеспечивала лишь незначительное увеличение скорости доступа. С другой стороны, плотность размещения ячеек памяти или общее количество битов, упакованных в один чип, значительно увеличилось с течением времени. Тем не менее, основные улучшения в новых поколениях SDRAM были связаны именно с увеличением скорости передачи данных и уменьшением удельного энергопотребления.

SDRAM является основой для всех современных видов DRAM. До появления SDRAM память DRAM использовала асинхронной обмен, то есть после запроса на чтение данные сразу же появлялись на шине данных. В SDRAM данные синхронизируются с помощью тактового сигнала.

Например, после того, как SDRAM-память получает команду чтения, она начинает выставлять данные спустя определенное количество тактов. Эта задержка известна как строб адреса столбца CAS (Column Address Strobe). Она имеет фиксированное значение для каждого модуля памяти.

Кроме того, в SDRAM считывание данных всегда синхронизируется по фронту тактового сигнала. Таким образом, процессор точно знает, когда ожидать запрошенные данные.

DDR DRAM

Говоря о первом поколении SDRAM, его часто называют памятью с однократной скоростью передачи данных или SDR (Single Data Rate). Следующим эволюционным шагом в развитии SDRAM стало появление DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) или памяти с удвоенной скоростью передачи данных.

На рис. 4 показана разница в обмене данными при работе с SDR и DDR SDRAM. Обратите внимание, что на этом рисунке задержка CAS не показана.

Рис. 4. Передача данных при работе с SDR и DDR. Прием данных DDR выполняется как по фронту, так и по срезу тактового сигнала

DDR2, DDR3 и DDR4

При переходе от SDR к DDR передача данных стала вестись как по фронту, так и по срезу тактового сигнала. Далее при переходе от DDR2 к DDR4 SDRAM скорость передачи возрастала за счет использования некоторых хитрых приемов. При этом, как уже упоминалось ранее, скорость доступа к содержимому ячейки памяти DRAM не сильно изменилась из-за ограничений базовой технологии. В реальности эту скорость удалось увеличить всего в два раза.

Рис. 5. Модуль DDR-памяти, используемый в компьютерах

Не вдаваясь в технические тонкости, можно отметить, что одним из «хитрых» способов повышения скорости передачи является увеличение разрядности шины данных. Очевидно, что если организация памяти позволяет считать за один цикл доступа сразу несколько битов, то это приводит к кратному увеличению скорости передачи данных.

Поскольку доступ к памяти обычно осуществляется последовательно, CAS определяет некоторую задержку между подачей команды чтения и готовностью данных. Следовательно, еще одна хитрость, позволяющая увеличить скорость чтения, заключается в поддержке циклов многократного чтения или в возможности предварительного выбора данных. Эти функции позволяют контроллеру памяти заранее подготовить новый блок данных для следующей передачи.

Наконец, достижения в кремниевой полупроводниковой технологии позволяют снизить рабочее напряжение, а значит уменьшить удельное потребление на бит и увеличить объем памяти при том же энергопотреблении.

Заключение

В большинстве микропроцессорных устройств требуется как энергонезависимая, так и энергозависимая память. Однако выбор оптимального типа памяти зависит от особенностей конкретного приложения.

Память оказывает большое влияние на производительность, стоимость и энергопотребление. По этой причине выбор оптимального типа памяти является очень важной задачей.

Как и в случае со всеми инженерными задачами, разработка электронных устройств очень часто требует поиска компромиссных решений. Теперь, когда вы знаете о достоинствах и недостатках различных типов памяти, вы сможете выбрать оптимальный тип памяти для вашего нового устройства.

Читайте также: