Какое это устройство см рисунок жесткий диск оперативная память
Обновлено: 04.07.2024
Из статьи читатель узнает, что такое оперативная память, как она работает, как выбрать подходящие для компьютера модули оперативной памяти, оценить их производительность и самостоятельно установить в системный блок.
Оперативная память
Оперативная память компьютера (модули оперативного запоминающего устройства) нужна компьютеру так же, как и процессор. Без модулей ОЗУ процессор не сможет работать. В оперативную память он записывает и считывает из нее данные, необходимые ему для произведения тех или иных операций. Когда нужен быстрый доступ к данным, работать напрямую с жестким диском или SSD процессор не может в первую очередь из-за слишком низкой скорости их работы.
Чем быстрее оперативная память компьютера, тем лучше. Скорость памяти определяется частотой ее шины, которая зависит от типа памяти. Сегодня можно встретить оперативную память следующих типов (размещены по хронологии появления):
• SDR SDRAM (тактовая частота шины 66 - 133 МГц);
• DDR SDRAM(100 – 267 МГц);
• DDR2 SDRAM (400 – 1066 МГц);
• DDR3 SDRAM (800 – 2400 МГц).
Принцип работы оперативной памяти указанных типов одинаков. Они обрабатывают поток команд процессора как своеобразный конвейер. Главной особенностью этого конвейера является то, что при поступлении в ОЗУ команды чтения, данные на выходе появляются не сразу, а спустя какое-то время (через некоторое количество тактов шины). Это время называется задержкой или таймингами памяти (англ. - SDRAM latency) и чем оно короче, тем оперативная память компьютера продуктивнее. Этот параметр, как и частоту шины, также нужно учитывать при выборе ОЗУ.
Например , есть два модуля ОЗУ одного типа с частотой шины 800 МГц и задержками памяти 4-4-4 и 5-5-5. Из них продуктивнее будет первый вариант.
Сложнее сравнить память с разными частотами. Как правило, в модулях памяти с более высокой частотой выше оказываются и задержки, и выигрыш в скорости от этой частоты на самом деле будет не настолько большим, как кажется на первый взгляд. Например, DDR3-1333МГц с таймингами 9-9-9 лишь немного опережает DDR2-800МГц с задержками 4-4-4, а DDR3-1333МГц с задержками 7-7-7 по производительности где-то равна DDR2-1067МГц.
Но будущее все же за более новыми типами оперативной памяти компьютера. Уже разработана DDR4 SDRAM (2133 – 4266 МГц), использование которой, по прогнозам экспертов, к 2015 году станет массовым явлением.
Разные типы модулей ОЗУ существенно отличаются также и внешне (разъемом, количеством контактов и т.д.). Если материнская плата рассчитана на использование одного типа памяти, установить на нее другой тип ОЗУ нельзя, поскольку даже физически в слот он не войдет. В свое время существовали переходники, позволяющие устанавливать модули DDR2 в слоты для DDR, но широкого распространения они не получили, поскольку использовать их можно было только на материнских платах, системная логика которых поддерживала работу одновременно с DDR и DDR2.
Кроме скорости работы, оперативная память компьютера характеризируется также ее объемом, который должен соответствовать кругу задач, решаемому с помощью компьютера, а также установленному на нем программному обеспечению. Например , офисному компьютеру с операционной системой Windows XP для работы с текстом, просмотра страниц Интернета и осуществления других несложных операций вполне достаточно даже 512 MB оперативной памяти. Если на том же компьютере будет установлена операционная система Windows7, для решения тех же задач нужно будет уже как минимум 1024 MB ОЗУ, поскольку сама Windows7 требует больше памяти. Если в системе будет недостаточно ОЗУ, то при запуске ресурсоемких программ свободная оперативная память компьютера может закончиться. В этом случае компьютер для ее расширения будет использовать часть жесткого диска или SSD (так называемый файл подкачки или swap-файл, специально зарезервированный операционной системой). Учитывая, что скорость доступа к данным на постоянном запоминающем устройстве в сотни раз ниже скорости доступа к оперативной памяти, быстродействие компьютера в таких случаях сильно падает, на системном блоке постоянно горит индикатор занятости жесткого диска и слышен характерный треск его напряженной работы.
Во время приобретения модулей ОЗУ важно учитывать еще несколько моментов:
1. Все, изложенное выше, касается модулей ОЗУ для обычных (стационарных) компьютеров. Если речь идет о ноутбуках, дела обстоят несколько иначе. Принципы работы ОЗУ портативного компьютера, конечно, такие же, но есть специфика. Во-первых, размеры модулей ОЗУ для ноутбуков другие. В них устанавливается оперативная память в форм-факторе SO-DIMM (англ. small outline dual in-line memory module). В стационарном компьютере как правило используются модули формата Long-DIMM (см.рисунок). Поэтому память для ноутбуков и обычных компьютеров – не взаимозаменяемые вещи! В форм-факторе SO-DIMM есть какие же типы памяти (DDR, DDRII, DDRIII), но подходят они только для ноутбуков и некоторых других устройств. Во-вторых, в отличие от стационарного компьютера, заменить или доставить дополнительный модуль ОЗУ в ноутбук достаточно сложно. Часто это связано с необходимостью его разборки со всеми вытекающими из этого рисками (в зависимости от модели). Поэтому если вы не уверены в своих силах и не хотите рисковать, лучше обратиться в специализированную мастерскую.
2. Если на компьютере будет использоваться 32-битная операционная система, ставить на эту машину больше 4 ГБ оперативной памяти особого смысла нет, поскольку система будет «видеть» только 3 ГБ ОЗУ и еще около 25% от того, что осталось (т.е., если поставить 4 ГБ, будет использоваться только 3,25 ГБ). Для использования ОЗУ большего объема необходима 64-битная операционная система;
3. Большинство материнских плат поддерживает двухканальный (иногда даже трехканальный) режим работы с оперативной памятью, что обеспечивает к ней более быстрый доступ процессора. Но для этого необходимо, чтобы в слотах обеих каналов ОЗУ (разъемы на материнской плате) было установлено одинаковое количество модулей одинаковых объемов. Крайне желательно, чтобы частота шин и тайминги этих модулей также совпадали. Т.е. вместо 1 модуля ОЗУ объемом 4ГБ целесообразнее приобрести 2 модуля по 2ГБ (по одному в каждый канал).
Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных. Классификация памяти представлен на рисунке:
Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором.
Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.
Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.
Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.
К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.
К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять и кэш - память . В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять . Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.
Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом . Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.
Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:
1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры , НЖМД) - несъемные жесткие магнитные диски. Ёмкость современных винчестеров от сотен мегабайт до нескольких сотен гигабайт. На современных компьютерах это основной вид внешней памяти. Первые жесткие диски состояли из 2 дисков по 30 Мбайт и обозначались 30/30, что совпадало с маркировкой модели охотничьего ружья “Винчестер” - отсюда пошло такое название этих накопителей.
2. Накопители на гибких магнитных дисках ( флоппи-дисководы , НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет), упакованные в пластиковый конверт (гибкий - у 5,25 дюймовых дискет и жесткий у 3,5 дюймовых). Максимальная ёмкость 5,25 дюймовой дискеты - 1,2Мбайт; 3,5 дюймовой дискеты - 1,44Мбайт. В настоящее время 5,25 дюймовые дискеты морально устарели и не используются.
3. Оптические диски ( СD-ROM - Compact Disk Read Only Memory) - компьютерные устройства для чтения с компакт-дисков. CD-ROM диски получили распространение вслед за аудио-компакт дисками. Это пластиковые диски с напылением тонкого слоя светоотражающего материала, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Лазерные диски являются наиболее популярными съемными носителями информации. При размерах 12 см в диаметре их ёмкость достигает 700 Мб. В настоящее время все более популярным становится формат компакт-дисков DVD-ROM, позволяющий при тех же размерах носителя разместить информацию объемом 4,3 Гб. Кроме того, доступными массовому покупателю стали устройства записи на компакт диски. Данная технология получила название CD-RW и DVD-RW соответственно.
Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:
1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры – имеют увеличенную скорость записи 4 - 5Мбайт в сек. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации.
2. Перфокарты – карточки из плотной бумаги и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются.
Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее быстродействие, но ограниченный объем. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие, но неограниченный объем. Производителям и пользователям компьютеров приходится искать компромисс между объемом памяти, скоростью доступа и ценой компьютера, так комбинируя разные виды памяти, чтобы компьютер работал оптимально. В любом случае, объем оперативной памяти является основной характеристикой ЭВМ и определяет производительность компьютера.
Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти . Минимальный элемент памяти - бит или разряд способен хранить минимально возможный объем информации - одну двоичную цифру. Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты - восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют ее адресом. Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:
1) прочитать информацию из ячейки с определенным адресом;
2) записать информацию в байт с определенным адресом.
Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины .
По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.
Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.
Долговременная (внешняя) память — это энергонезависимая память, предназначенная для длительного хранения информации.
Процессор не имеет прямого доступа к содержимому внешней памяти. Чтобы процессор мог обработать данные из долговременной памяти, они должны быть сначала загружены в оперативную память. В настоящее время к основным устройствам долговременной памяти относятся жесткие магнитные диски, накопители на оптических дисках, устройства флеш-памяти. Ранее для длительного хранения информации использовались также магнитные ленты, дискеты, магнито-оптические диски.
Основным устройством внешней памяти является жесткий магнитный диск (рисунок 1). Внутри жесткого диска находятся одна или несколько пластин, насаженных на общий шпиндель. Данные обычно записываются на обеих сторонах каждой пластины, хотя в некоторых жестких дисках производители наряду с двухсторонними пластинами могут использовать и односторонние. Запись и чтение информации осуществляются с помощью головок чтения/записи. Под пластинами располагается двигатель, который вращает их с достаточно большой скоростью. Скорость вращения пластин измеряется в оборотах в минуту (rpm). Первые жесткие диски имели скорость вращения 3600 rpm. В современных жестких дисках скорость вращения возросла до 7200, 10 000 и 15 000 оборотов в минуту.
Рисунок 1 - Жесткий диск
В процессе записи цифровая информация, хранящаяся в оперативной памяти, преобразуется в переменный электрический ток, который поступает на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Перед использованием жесткого диска необходимо выполнить операцию его форматирования.
Форматирование включает в себя три этапа.
1. Низкоуровневое форматирование диска. При этом процессе на жестком диске создаются физические структуры: дорожки, секторы, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат еще никакой информации.
2. Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает жесткий диск на логические диски (С:, D: и т. д.). Эту функцию выполняет операционная система.
3. Высокоуровневое форматирование. Этот процесс также выполняется операционной системой и зависит от ее типа. При высокоуровневом форматировании создаются логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов, а также, в некоторых случаях, системные загрузочные файлы в начале диска.
Жесткие диски изначально создавались в качестве внутренних устройств и не были предназначены для резервного копирования и переноса информации с одного компьютера на другой. Около 20 лет назад самым распространенным устройством, предназначенным для этих целей, были дискеты (гибкие магнитные диски). Однако их емкость по современным меркам была очень мала (1,44 Мбайт), поэтому на смену им пришли оптические диски CD (компакт-диски), позволяющие хранить достаточно большие объемы информации (650-800 Мбайт) и намного превосходящие дискеты по степени надежности. Для работы с компакт-дисками на компьютере необходимо наличие специального привода (оптического накопителя).
Обзор жесткого диска представлен на видео 1:
Обзор жесткого диска.MTS
Различают диски «только для чтения» (CD-ROM), изготавливаемые промышленным способом, для однократной записи (CD-R) и для многократной записи (CD-RW). Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих оптических накопителях. Все типы дисков имеют одинаковую структуру хранения информации. Данные с помощью луча красного лазера записываются на спиральную дорожку, идущую от центра диска к его периферии. Вдоль дорожки располагаются углубления, называемые питами (pit — «углубление»). На записываемых дисках питы имитируются темными пятнами специального регистрирующего слоя, получившимися в результате нагрева нужного участка лазером. Чередованием углублений и промежутков между ними и кодируется любая информация.
Диски DVD имеют более высокую плотность записи данных, чем CD-диски. Существуют диски, на которых запись информации производится в два слоя. В зависимости от указанных выше параметров DVD-диски могут иметь объем 4,7 Гб или 8,5 Гб. Все компакт-диски (и CD, и DVD) имеют одинаковую структуру хранения информации. Скорость чтения/записи оптических приводов измеряется в единицах, кратных базовой скорости (обозначается 16х, 24х, 48х и т. д.). Для приводов CD базовая скорость равна 150 Кб/с, для DVD — 1,385 Мб/с.
Blu-ray (Blu-ray Disc) является названием формата оптического диска следующего поколения. В Blu-Ray для записи и чтения данных вместо красного лазера, который используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер. У синего лазера длина волны значительно меньше длины волны красного лазера. Это позволяет сделать толщину дорожки данных тоньше, что приводит к значительному увеличению емкости носителя. Формат был разработан для обеспечения возможности записи, перезаписи и воспроизведения видео высокого разрешения (HD-video), а также для хранения больших объемов данных. Емкость нового формата — от 25 до 50 Гб.
По устройству флеш-память (flash-память) напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, в которой вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены транзисторы. При подаче напряжения транзистор принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. Он остается в этом положении до тех пор, пока на него не будет подан новый электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно статической памяти: закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые — как логические нули.
USB flash drive (флеш-накопитель, рисунок 2) — устройство на основе флеш-памяти для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой.
Этот проект начался несколько лет назад в рамках DC программы (*distributed computing – распределённые вычисления). Со временем скорость интернет-соединения выросла и основной проблемой скорости DC стала низкая скорость HDD. SSD частично решали эту проблему, но повышенный износ SSD, вызванный постоянной перезаписью заданий, отталкивал новых пользователей DC сети. Никому не хочется гробить свой недешёвый SSD ради абстрактной цели. Но ресурс и большая скорость записи/чтения с равномерной латентностью очень важны для DC вычислений, где задержка или сбой в каждом сегменте замедляет всю сеть вычислителей.
В этот момент наша команда сформировала образ будущего RAM диска на базе re-fan (*бывшей в употреблении и перепаянной) DDR памяти. Дело в том, что такая память стоит достаточно дёшево – примерно 40 центов за гигабайт для DDR3 – и хорошо доступна в больших количествах. Перепайка, выполненная с соблюдением температурных режимов, не вредит RAM чипам. Такие производители памяти как Kllisre, ZIFEI, TANBASSH, Rasalas etc. используют именно re-fan чипы. Они же установлены в большинстве бюджетных ноутбуков и планшетов Китайских производителей. Использование re-fan позволяет снизить стоимость конечного устройства до приемлемых значений без потери его характеристик или надёжности.
Вторым очевидным условием было то, чтобы будущий диск работал в системе также, как HDD или SSD диск и был бы полностью совместим с операционной системой и программными продуктами. Поэтому за основу был взят чип Silicon Motion SM2262EN. Этот чип поддерживает PCIe x4, NVME 1.3, собственную DDR память для буферизации и 8 каналов NAND/TLC памяти. Благодаря этому он может использовать всю доступную скорость PCIe x4 не теряя её.
Первая проблема таилась в том, что интерфейсы NAND и DDR памяти очень сильно отличаются и просто так подключить DDR вместо NAND не получится.
Вторая проблема была в том, что длина дорожек между DDR чипом и SM2262EN не может быть бесконечной. А чтобы набрать объём в 1 TB нам потребуется 256 чипов DDR памяти по 4GB каждый.
Напрашивалось использование FPGA в роли промежуточного звена между SM2262EN и DDR, но третья проблема состояла в том, что HMC FPGA не может адресовать такое количество чипов DDR памяти (данный диск возможен в версиях от 128 гигабайт до 2 терабайт).
Я не буду тратить ваше время на историю наших поисков, но, в итоге, мы пришли к архитектуре с четырьмя FPGA, равномерно распределёнными по плате, каждая из которых подключена к двум банкам по 32 чипа DDR и программно имитирует работу двух NAND чипов каждая.
Благодаря этому решению SM2262EN не видит трюка и работает с памятью также, как с NAND чипами. Длины дорожек между FPGA и самым дальним DDR чипом в банке находятся в рамках допустимого и их импедансы могут быть согласованы, используя резисторы и DCI (*Digitally Controlled Impedance) технологию. Большая площадь 12-и слойной платы и изобилие свободного места позволило нам сократить множество пассивных компонентов используя межслойную ёмкость и сопротивление самих проводников. Данные решения тщательно обкатывались в HyperLynx и позже подтвердили работоспособность в прототипе. Пример такой трассировки изображён на рис. ниже.
Дополнительно на плате установлены управляемые источники питания (PIMC) и система загрузки с двумя чипами памяти BIOS, содержащими битстримы и настроечную информацию. Два чипа установлены из соображений надёжности. Также диск имеет индикатор нагрузки и семисегментный индикатор, на который выводятся статусы работы диска, коды самодиагностики и ошибок. Этот маленький помощник позволит оперативно диагностировать диск и выявлять проблемы. Ниже показан проект печатной платы и изготовленные образцы:
Чертёж печатной платы диска Изготовленные платы
Тестирование диска показало скорость чтения/записи на уровне 7000/6000 МБ/с соответственно, что является пределом для PCIeX4 gen 4 и приближается к пределу скорости DDR3 памяти (см. скриншот из этого видео).
Особенно примечательны результаты тестов RND4K Q32T16 и Q1T1 – такая скорость достигается за счёт особенностей работы банка памяти DDR чипов, представляющего собой виноградную гроздь из носителей малого объёма, что позволяет работать с ними параллельно и одновременно, в отличие от одного единственного NAND чипа. Нам не известны SSD диски, способные показать сравнимую скорость в таких тестах.
Сравнение последовательного и рандомного доступа (картинка стырена с вики).
На рисунке ниже показаны основные элементы управления DDRAM диском. Это индикатор нагрузки, дисплей и кнопка самотеста. После нажатия данной кнопки диск отключает весь обмен по PCIe и запускает тестирование всех своих элементов, включая чипы памяти. Все данные на диске будут уничтожены при этом. В течение теста индикатор показывает номер тестируемого банка памяти. Если тест пройден, индикатор покажет P = passed. В противном случае будет отображён код ошибки. Для удобства пользователя таблица расшифровки кодов ошибок нарисована на плате диска справа от индикатора. Во время работы индикатор мигает десятичной точкой с частотой 2 Гц. Это является признаком нормальной работы всех систем диска.
С обратной стороны платы диска установлены чипы DDR памяти, накрытые радиатором. Радиатор необходим, т.к. чипы установлены очень плотно и снизу дополнительно подогреваются чипами FPGA и другими элементами устройства. Радиатор не только отводит лишнее тепло, но также выравнивает нагрев различных участков платы диска, что исключает перекос характеристик DDR чипов вызванный неравномерным нагревом. Использован сухой термоинтерфейс на базе термопрокладки от 3M.
Для снижения механической нагрузки на PCIe разъём и упрощения установки диска в материнскую плату диск имеет выступ на плате, опирающийся на край разъёма. При необходимости этот выступ можно отломать, для этого предусмотрена линия разлома из просверленных в ряд отверстий. Однако, мы пока не встречали материнскую плату, где он бы мешал.
Во время ресурсных испытаний диск отработал 200 часов непрерывно под максимальной нагрузкой и чередующимися операциями чтения/записи. Никаких изменений в характеристиках диска отмечено не было. Ниже можно увидеть видео тестирования скорости:
Сейчас мы тестируем прототип RAM диска, использующего два чипа SM2262EN параллельно и работающего в слоте x8. Ожидаемо, скорость выросла вдвое.
Читайте также: