Системная память

Системная память - это хранилище, в котором РС хранит текущие программы и используемые данные. Термин память (memory) является очень широким понятием, так как может относиться к множеству устройств для хранения информации. Однако обычно память подразумевает основную (оперативную) системную память, в которой находятся команды программы и обрабатываемые этими командами данные. С другой стороны, слово память (storage), точнее, запоминающее устройство, может относиться и к накопителю на жестком диске. Стандартное название основной памяти - память с произвольным доступом (Random Access Memory - RAM). Независимо от того, сколько памяти имеет РС, всегда кажется, что ее не хватает. Если раньше РС имели 1-2 МБ памяти, то сейчас минимальная емкость памяти составляет 64 МБ, а для сложных приложений требуется память емкостью 256 МБ. Системная память является важнейшим компонентом РС; она соединяется с процессором, кэшем, материнской платой и чипсетом.

Память играет важнейшую роль в следующих аспектах компьютерной системы:

• Производительность: Емкость и тип имеющейся системной памяти оказывает сильное влияние на производительность всей системы. Память даже важнее процессора, так как при недостаточной памяти процессор может работать вдвое ниже своих потенциальных возможностей. Об этом часто забывают.
• Поддержка приложений: Новые программы требуют больше памяти, чем старые. Наличие большей памяти позволит выполнять больше приложений.
• Надежность и устойчивость: Плохая память является основным источником возникающих в системе проблем. Наличие высококачественной памяти обеспечивает надежную работу РС.
• Способность к модернизации: Имеется много типов памяти, причем некоторые универсальнее других. Правильный выбор памяти позволит использовать ее даже после обновления материнской платы.

Далее приведен материал по системной памяти, включая принципы работы, используемые технологии и конструктивное оформление. Рассмотрено также, какие типы памяти применяются в различных РС.

Технологии памяти

В этом разделе обсуждаются основные типы памяти, используемой в РС, и их различия.

Постоянные запоминающие устройства (Read-Only Memory - ROM)

Это один из основных типов памяти в РС. ROM - это память, из которой можно только считывать в отличие от памяти RAM, допускающей считывание и запись. Имеются две основные причины применения ROM в РС:

• Энергонезависимость: Хранимые в ROM значения находятся там всегда независимо от того, включено питание или выключено. ROM можно вынуть из РС, продержать вне РС любое время, а затем вставить и данные останутся в памяти. Энергонезависимым является и жесткий диск, но память RAM оказывается энергозависимой.
• Безопасность: Тот факт, что содержание ROM нельзя изменить, обеспечивает безопасность от случайного или намеренного изменения содержания. Например, ROM нельзя "заразить" вирусами.

ROM чаще всего применяется для хранения системных программ, которые должны быть всегда доступны РС. Наглядным примером служит программа базовой системы ввода-вывода (Basic Input/Output System - BIOS), часто называемая системным ROM-BIOS. При включении РС может использовать BIOS для загрузки системы.

Несмотря на то, что содержание ROM считается неизменным, иногда полезно иметь возможность все же изменить его. Имеется несколько разновидностей ROM, содержание которых при определенных обстоятельствах можно изменить. Далее приведены различные типы ROM и возможности изменения их содержания:

• ROM: Обычное ROM кодируется аппаратно в самом кремнии и его содержание изменить нельзя. По существу, такие ROM похожи на компакт-диски с программным обеспечением.
• Программируемое ROM (Programmable ROM - PROM): Такие ROM можно однократно программировать (записывать) с помощью специального оборудования. Иногда процесс программирования такой памяти называется "выжиганием" (burning), так как он похож на "выжигание" лазерным лучом в рекордере CD-ROM. После программирование содержание можно считывать любое число раз.
• Стираемое программируемое ROM (Erasable Programmable ROM - EPROM): Это такое ROM, которое можно стирать и репрограммировать. На корпусе микросхемы имеется кварцевое стекло, через которое с помощью ультрафиолетового света содержание можно стереть, а затем репрограммировать микросхему. Эта технология напоминает повторно используемые ("записываемые") компакт-диски CD-RW.
• Электрически стираемое программируемое ROM (Electrically Erasable Programmable ROM - EEPROM): Содержание таких микросхем можно производить программно. Это наиболее гибкий вариант ROM, который часто применяется для хранения программ BIOS. Название flash BIOS подразумевает репрограммирование BIOS EEPROM специальной программой. Программирование (запись) производится довольно редко, например раз в год, и, в основном, EEPROM выполняет операции считывания.

Примечание: Название RAM (Random Access Memory) подразумевает произвольный доступ. Может показаться, что в ROM произвольный доступ невозможен. На самом деле ячейки ROM можно считывать в любом порядке, т.е. ROM также является памятью с произвольным доступом.

Обычно ROM примерно вдвое медленнее по сравнению с RAM и это является причиной организации в компьютере теневого BIOS (shadow BIOS). В этом случае при запуске РС программа BIOS копируется в более быструю RAM и используется оттуда, что повышает производительность РС.

Память с произвольным доступом (Random Access Memory - RAM)

Для хранения программ и используемых ими данных применяется быстродействующая память с произвольным доступом RAM, которая одинаково быстро выполняет операции считывания и записи. В отличие от ROM эта память является энергозависимой, так как при выключении питания ее содержание теряется. Имеется много типов RAM, включая статические RAM (Static RAM - SRAM) и разнообразные динамические RAM (Dynamic RAM - DRAM).

Статическое RAM (Static RAM - SRAM)

Статическое RAM хранит данные без внешней регенерации (refresh) до тех пор, пока на микросхему подается питание. В то же время, динамическое RAM необходимо регенерировать много раз в секунду, чтобы хранимые данные не исчезли. Запоминающий элемент SRAM состоит из 6 транзисторов, образующих статический триггер. SRAM применяется в РС в тех ситуациях, когда их достоинства превалируют над DRAM:

• Простота: SRAM не требуют внешней схемы регенерации для хранения данных.
• Скорость: SRAM быстрее DRAM.

С другой стороны, SRAM имеют следующие недостатки по сравнению с DRAM:

• Стоимость: SRAM в несколько раз дороже DRAM (в расчете на байт).
• Емкость: Емкость микросхем SRAM намного меньше емкости микросхем DRAM (поэтому их стоимость и выше).

С точки зрения производительности SRAM превосходят DRAM и целесообразнее применять именно их. К сожалению, SRAM емкостью 32 МБ оказывается слишком большим и дорогим, поэтому в качестве системной памяти используются исключительно DRAM. Однако SRAM применяются в кэшах первого и второго уровня, которые должны иметь очень высокое быстродействие при относительно небольшой емкости.

Поскольку микросхема SRAM состоит из миллионов идентичных ячеек, производить их намного проще процессоров с неповторяющейся структурой. Именно поэтому микросхемы RAM дешевле процессоров.

Динамические RAM (Dynamic RAM - DRAM)

Динамические RAM хранят данные только при условии непрерывной регенерации (refresh), т.е. обращения к ним специальной схемой регенерации. Несколько сотен раз в секунду эта схема считывает содержание каждой ячейки памяти независимо от того, использует ячейку компьютер в данный момент времени или нет. Из-за особой конструкции ячеек действие считывания обновляет (регенерирует) содержание памяти. Если этого не делать периодически, содержание DRAM теряется даже при наличии питания. Именно из-за необходимости выполнения непрерывной регенерации такая память называется динамической. Во всех РС для основной системной памяти применяются микросхемы DRAM несмотря на то, что они медленнее микросхем SRAM и требуют схему регенерации. Причина применения микросхем DRAM проста: они намного дешевле и занимают меньше места по сравнению с микросхемами SRAM. Схемы регенерации за прошедшее время отработаны почти до совершенства.

Запоминающий элемент DRAM состоит из одного транзистора и конденсатора. Наличие заряда на конденсаторе означает хранение 1, а отсутствие - хранение 0. Транзистор используется для считывания состояния конденсатора. Конечно, конденсатор может хранить заряд непродолжительное время, по истечении которого он исчезает. Емкость конденсатора невелика и заряд "стекает" очень быстро. Именно поэтому требуется схема регенерации: считывать содержание каждой ячейки и обновлять заряд до того, как он исчезнет. Регенерации выполняется считыванием целой строки ячеек микросхемы и при считывании заряд на конденсаторе восстанавливается.

Имеется много видов технологий DRAM, обеспечивающих различное быстродействие. Они рассматриваются далее.

Быстродействие памяти и временная диаграмма работы

В этом разделе рассматривается работа системной памяти: как производится обращение к памяти, и как развиваются во времени операции памяти. Быстродействие памяти является важным фактором, определяющим производительность РС.

Контроллер памяти

Каждый РС имеет схему контроллера памяти (memory controller). Она формирует необходимые сигналы для управления операциями считывания и записи и обеспечивает интерфейс памяти с другими основными компонентами РС. Обычно контроллер памяти встроен в системный чипсет (system chipset.

Обращение к памяти и время обращения

Выполнение операции считывания или записи называется обращением, или доступом, к памяти (memory access). Для управления каждым обращением к памяти используется специальная процедура, в которой контроллер памяти формирует необходимые сигналы для определения целевой ячейки, а затем передачи содержания ячейки на шину для считывания процессором или другим устройством, запросившим считывание из памяти.

Чтобы разобраться в обращении к памяти, необходимо прежде всего иметь представление о том, как адресуются микросхемы памяти. Возьмем для примера микросхему 16 Мб с конфигурацией 4Mx4. Таким образом, имеется 4M (4 194 304) адресов ячеек по 4 бита в каждой. Число 4 194 304 равно 2^22, поэтому для однозначной адресации каждой ячейки требуется 22 бита, т.е. 22 линии адреса.

Однако на практике микросхемы памяти не имеют так много линий адреса. Логически они организованы как "квадрат" из строк (rows) и столбцов (columns). Младшие 11 битов адреса считаются "строкой", а старшие 11 битов - "столбцом". Вначале на микросхему подается адрес строки, а затем адрес столбца. Предположим, что необходимо обратиться к ячейке 2 871 405 в микросхеме, что соответствует двоичному адресу "10101111010 00001101101". Сначала подается код "00001101101" для выбора строки, а затем код "10101111010" для выбора столбца. Такая комбинация выбирает уникальную ячейку памяти с адресом 2 871 405.

Интуитивно кажется, что такой подход сложнее и медленнее, чем наличие на микросхеме контакта для каждой линии адреса - почему бы не иметь на микросхеме 22 контакта адреса? Как это не удивительно, но ответ заключается в стоимости. При использовании комбинации строка/столбец можно значительно уменьшить число контактов на корпусе микросхемы DRAM. Здесь требуется только 11 контактов адреса вместо 22, хотя и требуются два дополнительных сигнала для управления подачей адресов строки и столбца. Можно также сэкономить буферы и другие схемы, необходимые для каждой линии адреса. Конечно, подача адреса двумя "блоками" несколько замедляет процесс адресации, но размеры кристалла уменьшаются и он может работать быстрее, несколько компенсируя снижение скорости обращения.

Разумеется, в РС нет единственной микросхемы памяти; в зависимости от емкости их может быть десятки. Микросхемы объединяются в модули, а затем в банки и контроллер памяти управляет тем, какие микросхемы участвуют в операции считывания или записи. Так как современные РС одновременно считывают 64 бита, в каждой операции считывания или записи участвуют до 64 микросхем DRAM.

Рассмотрим, как происходит типичное асинхронное считывание из памяти, в котором сигналы временной диаграммы не "привязаны" к сигналам основной системной синхронизации (в синхронных DRAM применяются другие сигналы):

1. На шину адреса помещается адрес ячейки памяти, из которой производится считывание.
2. Контроллер памяти дешифрирует адрес памяти и определяет, к каким микросхемам производится обращение.
3. В эти микросхемы подается младшая половина адреса ("строка").
4. После стабилизации сигналов адреса строки контроллер устанавливает на 0 сигнал строба адреса строки (Row Address Strobe - RAS), иногда называемый выбором адреса строки (Row Address Select). Этот сигнал имеет низкий уровень активности и обозначается RAS с чертой наверху; его также обозначают как /RAS или RAS#.
5. Когда сигнал /RAS установлен на 0, в микросхеме считывается вся строка (все 2^11 столбцов в приведенном ранее примере или 2048 ячеек по 4 бита каждая). Отметим, что это действие "обновляет" (регенерирует) все ячейки в этой строке.
6. В выбранные микросхемы подается старшая половина адреса ("столбец").
7. После стабилизации сигнала адреса столбца контроллер памяти устанавливает на нуль сигнал строба адреса столбца (Column Address Strobe - CAS) или выбора адреса столбцы (Column Address Select).
8. Когда сигнал /CAS установлен на 0, выбранный столбец выводится в выходные буферы микросхемы.
9. Выходные буферы всех выбранных микросхем памяти подают данные на шину данных, откуда их считывает процессор или другое устройство.

В этом упрощенном примере не затронуты все сигналы, а также модули с несколькими банками, пакетный режим и др. Процесс записи реализуется аналогично, но теперь данные помещаются в микросхему, а не выводятся из нее. Специальный сигнал R/W управляет тем, какая операция выполняется при обращении к памяти.

Временной интервал получения запрашиваемых данных от момента начала доступа до получения достоверных данных называется временем обращения (access time). Обычно время обращения измеряется в наносекундах - нс. Время обращения современной памяти составляет от 3 до 50 нс. Чтобы оценить огромную скорость RAM, можно сравнить ее со временем обращения к жесткому диску - оно составляет 10 мс, или 10 000 000 нс.

Асинхронные и синхронные DRAM

Обычные микросхемы DRAM, которые применялись еще в первом IBM PC, называются асинхронными, т.е. память не синхронизируется с системным генератором синхронизации. Начинается обращение к памяти и через некоторое время на шине появляются считанные из памяти данные. Сигналы совершенно не скоординированы с системной синхронизацией. Асинхронная память прекрасно работает с шиной памяти, имеющей невысокое быстродействие, но не пригодна для использования в быстрых (66 МГц) системах памяти.

Новый тип микросхем DRAM, называемый синхронной DRAM (SDRAM), синхронизируется с системной синхронизацией; все сигналы "привязаны" к сигналам генератора синхронизации, что позволяет лучше управлять временной диаграммой. Такая память намного быстрее асинхронной DRAM, повышает производительность системы и применяется в системе памяти новых РС.

Шина памяти

Шина памяти представляет собой набор проводников, по которым передаются адреса и данные системного RAM. Шина памяти в большинстве РС разделяется с шиной процессора, подключая системную память к процессору и системному чипсету. Шина памяти образует наиболее быстродействующий коммуникационный канал в иерархии шин РС.

Шина памяти состоит из шины адреса и шины данных. Когда люди говорят о шине памяти, они обычно имеют в виду шину данных, по которой передаются фактические данные памяти. Шина адреса используется для выбора адреса памяти, участвующего в операции считывания или записи.

Чем шире шина данных, тем больше информации можно передать одновременно, т.е. шина имеет более высокую производительность. Скорость шины определяется частотой системной синхронизации и является основным фактором производительности шины. Полоса пропускания (bandwidth) шины данных показывает, сколько информации можно передать по ней; она зависит от ширины шины и ее скорости.

Ширина шины адреса управляет адресуемостью (addressability) системной памяти, т.е. емкость памяти, к которой может обращаться процессор. Большинство РС могут адресовать намного больше памяти, чем они фактически имеют.

Шина памяти оказывается основным ограничивающим фактором производительности системы. В старых РС процессор работал с той же скоростью, что и шина памяти, но в новых РС процессор работает в 2, 4 и более раз быстрее памяти. Чем быстрее процессор работает по сравнению с памятью, тем чаще он будет ожидать информации из памяти. Вот почему так важен системный кэш, который намного быстрее основной памяти, а это означает, что процессор может выполнить больше полезной работы и меньше ожидает.

Скорость DRAM и временная диаграмма

Важно понимать взаимосвязи между двумя основными факторами, которые управляют истинной скоростью системной памяти:

• Временные параметры памяти: Настоящая скорость памяти определяется временной диаграммой (system timing), которую указано использовать системе, часто с помощью параметров в программе настройки BIOS. Эти параметры управляют тем, как быстро система будет пытаться считывать из памяти и записывать в память.
• Скорость DRAM: Это минимальное время обращения, которое физически допускают микросхемы DRAM; оно измеряется в наносекундах (нс). Отметим, что иногда скорость новых модулей SDRAM определяется частотой (МГц), а не временем обращения.

Между этими факторами имеется следующая взаимосвязь. Чем быстрее физические микросхемы DRAM, тем более быструю временную диаграмму можно установить для системы. Если ускорить временную диаграмму (уменьшая число тактов для обращения к памяти с помощью соответствующего параметра BIOS), то система будет работать быстрее, но если задать для DRAM слишком быстрый режим, будут возникать ошибки. Скорость микросхем DRAM косвенно управляет скоростью системы памяти, устанавливая верхний предел.

Из этого следует, что при замене микросхем DRAM со скоростью 70 нс на микросхемы со скоростью 60 нс система не будет работать быстрее, если не ускорить временную диаграмму системы, чтобы она стала обращаться к памяти быстрее. Справедливо и обратное утверждение относительно замены быстрой памяти на медленную; но при этом если новая память оказывается слишком медленной для временной диаграммы, будут появляться ошибки, например зависание РС.

Примечание: Некоторые системы автоматически настраивают временную диаграмму с учетом той скорости памяти, которую они могут определить.

Показатели скорости DRAM

Имеются два способа указания скорости микросхем DRAM. Для микросхем обычных асинхронных DRAM скорость указывается в наносекундах (нс), определяя минимальное время для выполнения операций считывания и записи (при этом учитывается весь цикл обращения). Сейчас скорость асинхронной памяти составляет 50, 60 или 70 нс. Системы, работающие с частотой синхронизации 60 МГц обычно для работы с пиковой эффективностью требуют память со скоростью 60 нс или выше.

Синхронная память намного быстрее обычной асинхронной памяти - 12, 10 или даже 5 нс. Однако необходимо быть осторожным в оценках. Модуль SDRAM со скоростью 10 нс совсем не обязательно в 5 раз быстрее модуля EDO со скоростью 50 нс. Так как память SDRAM синхронизируется системным генератором синхронизации, скорость SDRAM относится к максимальной скорости, с которой модуль SDRAM может "пакетировать" данные на шину. В это время не включается запаздывание адресации (которое учитывается в асинхронных DRAM), поэтому скорость оказывается столь высокой.

Скорость микросхем DRAM обычно указывается суффиксом в конце номера микросхемы, например "-6" или "-60". Эта маркировка означает 60 нс. В микросхемах SDRAM суффикс имеет вид "-12", "-10" или "-07".

Примечание: В дополнение к скорости в наносекундах, для микросхем SDRAM часто указывается скорость в МГц, что практически одно и то же. Это число МГц не означает, что микросхема SDRAM предназначена для системы с такой же скоростью; 100 МГц SDRAM может не работать в РС с системной шиной 100 МГц.

Указываемая скорость памяти представляет собой максимум. Теоретически память не может поддерживать временную диаграмму, которая требует более быстрых микросхем RAM. Однако на практике многие компании указывают параметры довольно консервативно, поэтому память может работать и быстрее. Вот почему многие РС с процессором Pentium с шиной 66 МГц работают с памятью 70 нс даже при установке временной диаграммы на 60 нс. Однако такой прием оказывается ненадежным и его нельзя рекомендовать (по существу, это разновидность "разгона" - overclocking).

Смешивание скоростей DRAM

Смешивание скоростей памяти (mixing memory speeds) означает использование в РС микросхем DRAM с несколькими скоростями. Например, можно было купить РС с памятью 70 нс, а позже расширить ее микросхемами памяти 60 нс. Конечно, в общем, этого приема следует избегать, но все же можно использовать, соблюдая некоторые предосторожности:

• Использовать идентичную память внутри банка: Обычно РС считывает из памяти слова из 32 или 64 битов и память, образующая такую ширину, называется банком (bank). Если в банке используется различная память, некоторые биты слова появляются позже других, а это вызывает разнообразные проблемы. Поэтому в банке необходимо использовать память одного типа и скорости.
• Помещать самую медленную память в первый банк: Некоторые системы памяти при настройке временной диаграммы автоматически обнаруживают скорость памяти только в первом банке. Если имеется память 60 нс в первом банке и 70 нс во втором банке, система может настроить такую временную диаграмму, которая прекрасно работает с первым банком, но вызывает проблемы при обращении ко второму банку. Отметим, что первый банк памяти часто называется "Bank 0".

Скорость шины памяти и требуемая скорость DRAM

Большинство современных РС требует, чтобы используемые в них микросхемы DRAM имели некоторую минимальную скорость. Такая требуемая скорость обычно зависит от скорости шины памяти. Более быстрые шины памяти требуют и более быстрых микросхем DRAM, а иногда и более быстрых технологий. При определении скорости памяти можно руководствоваться следующей таблицей. Конечно, можно использовать в любом РС и более медленную память, соответственно настроив временную диаграмму, но пользователи обычно хотят, чтобы РС работал с максимальной скоростью.

Временная диаграмма системы и состояния ожидания

Временная диаграмма (system timing), которая система использует для обращения к памяти, обычно определяется с использованием нескольких параметров в программе настройки (setup program) BIOS. Однако некоторые новые РС автоматически определяют временную диаграмму, анализируя имеющуюся в РС память.

Временная диаграмма обычно определяется как число тактов синхронизации, необходимых для выполнения операции считывания или записи. Чем меньше требуемое число тактов, тем быстрее работает память. Если установлено слишком малое число тактов, в памяти возникают ошибки. Максимальная скорость временной диаграммы зависит от следующих факторов:

• Скорость DRAM: Более быстрая физическая память позволяет установить меньшее число тактов.
• Технология DRAM: Некоторые типы обеспечивают более быстрый доступ, чем другие, например память EDO быстрее FPM.
• Скорость чипсета: Некоторые чипсеты допускают более быструю временную диаграмму, чем другие, благодаря более совершенным схемам.
• Качество системы памяти: Высококачественные материнские платы, чипсеты и память обеспечивают более быструю временную диаграмму.

Настройка временной диаграммы часто определяется с использованием состояний ожидания (wait states). Параметр числа состояний ожидания показывает, сколько тактов синхронизации система должна вставить в процесс обращения к памяти, чтобы ожидать реакции памяти. В основном, это число соответствует определению необходимого для обращения общего числа тактов синхронизации, но оно на единицу меньше, так как представляет дополнительные такты синхронизации. Другими словами, нулевое число состояний ожидания представляет собой самое быстрое обращение к памяти, которое все же должно занимать один такт. Поэтому про память, обращение к которой длится три такта синхронизации, говорят, что она имеет два состояния ожидания.

Скорость памяти и системный кэш

Необходимо отчетливо понимать, что применение в современных РС большого и эффективного первичного и вторичного кэша означает, что большинство запросов команд и данных от процессора удовлетворяются из кэша, а не из системной памяти. Несмотря на то, что повышение скорости памяти увеличивает производительность, часто это увеличение маскируется тем фактом, что обычно только 5-10% всех запросов памяти фактически являются обращениями к памяти. В результате повышение скорости памяти на 50% увеличивает общую производительность системы только на 2.5-5%. Этот феномен объясняет, почему намного более быстрые микросхемы памяти SDRAM вызвали только эволюцию РС, а не революцию.

Пакетный режим

Напомним, что память имеет матричную организацию и для ее адресации необходимо предоставить адреса строки и столбца. Фактически считывание из памяти производится не битами, а словами по 32 или 64 бита.

При выполнении начального обращения к памяти необходимо предпринять несколько этапов, которые делают обращение относительно медленным. Для начала обращения необходимо сформировать определенные сигналы. Затем в память посылается адрес строки, а затем адрес столбца, которые определяют выбираемые запоминающие элементы. После этого передаются собственно данные. В результате первое обращение к памяти занимает довольно продолжительное время - обычно от 4 до 7 тактов синхронизации. Временной интервал, необходимый для выполнения первого обращения, называется запаздыванием (latency) памяти.

Нетрудно заметить, что большая часть служебных потерь (overhead) фактически связана не собственно с передачей данных, а с указанием памяти, как выполнять передачу. Если каким-то образом уменьшить служебные потери, можно значительно повысить производительность. Предположим, например, что необходимо считать из памяти четыре последовательных слова. В этом случае не нужно предоставлять адреса для второго, третьего и четвертого обращений, так как они являются соседними с первым адресом. При этом экономится много времени и значительно повышается производительность.

Именно этот прием и реализован в современных РС: четыре последовательных 64-битовых слова считываются из памяти одно за другим (256 битов или 32 байта). Этот прием называется обращением пакетного режима (burst mode access) или пакетизацией (bursting). В этом режиме значительная часть служебных потерь первого обращения не нужно повторять для остальных трех обращений и вместо 5-7 тактов они могут длиться только 1-3 такта. Вторичный системный кэш настроен на использование 256 битов для соответствия этому режиму обращения, поэтому при обращении к памяти он может сохранить все 32 байта данных.

Временная диаграмма обращения пакетного режима определяется аббревиатурой "x-y-y-y". Первое число ("x") представляет собой число тактов синхронизации для выполнения первой 64-битовой операции считывания или записи. Остальные числа показывают, сколько тактов синхронизации приходится на выполнение второго, третьего и четвертого обращений. Например, диаграмма "5-2-2-2" означает, что для передачи всего пакета требуется 11 тактов синхронизации. (Без пакетного режима на это потребовалось бы 20 тактов синхронизации "5-5-5-5".) Память необходимо сравнивать по времени выполнения четырех обращений в пакете.

Отметим, что все типы памяти имеют запаздывание при первом обращении; оно не исчезает даже для быстрой памяти. Например, некоторые считают, что при наличии быстрых микросхем SDRAM не нужно использовать вторичный кэш, так как и память, и кэш выполняют пакетную передачу по одному такту синхронизации, имея форму пакетного обращения "x-1-1-1". Однако необходимость адресовать память сохраняется для микросхем SDRAM, а не для кэша. Поэтому сохраняется отличие в первом числе "x": SDRAM в лучшем случае имеет 5-1-1-1, а кэш 3-1-1-1 или 2-1-1-1. Производители SDRAM запутывают ситуацию, определяя скорость модуля пакетным обращением - они сообщают только о "1", а не о начальных "5".

Временная диаграмма и технологии памяти

Наилучшая временная диаграмма, которую можно определить для РС, сильно зависит от технологии используемых микросхем DRAM. Новые микросхемы DRAM имеют организацию, направленную на повышение скорости работы; на практике именно скорость является единственным отличием между различными технологиями. Например, в большинстве РС с процессором Pentium обычная память FPM имеет время пакетного цикла в три такта синхронизации, а память EDO работает с двумя тактами синхронизации. При пакетизации микросхемы SDRAM обычно требуют всего один такт синхронизации.

Параметры временной диаграммы

Имеется несколько параметров, которые управляют временной диаграммы системной памяти. Имеется несколько способов настройки временной диаграммы памяти, которые зависят от настройки системы и BIOS.

В некоторых РС параметры диаграммы настраиваются автоматически, а в других требуется ручная регулировка отдельных параметров, которые управляют временной диаграммой. Обычно BIOS допускает подстройку двух основных чисел, которые управляют временной диаграммой: время начального обращения ("x" в обозначении "x-y-y-y") и время последующих обращений ("y"). Возможность независимой установки "x" и "y" обеспечивает большую гибкость. Однако во многих BIOS эти числа обозначаются по-разному. Например, в некоторых BIOS время первого обращения называется "leadoff". Иногда вместо тактов синхронизации указываются состояния ожидания.

Большинство новых РС имеют ту или иную разновидность автоматической настройки. В некоторых РС автоматически обнаруживаются тип и скорость имеющейся памяти и производится соответствующая настройка. В других РС пользователь сообщает тип и скорость микросхем DRAM (в нс), а система настраивает временную диаграмму на достижение максимальной производительности.

Интеллектуальный первый цикл

Интеллектуальный первый цикл (speculative leadoff) представляет собой средство повышения производительности некоторых чипсетов. Когда это средство разрешено, оно ускоряет первое обращение к памяти (leadoff), совмещая начало запроса считывания с определение адреса следующего считывания. Этот прием немного повышает производительность, но работает не во всех РС.

Расслоение

Расслоение (interleaving) применяется в современных материнских платах и чипсетах для повышения производительности памяти. Расслоение памяти увеличивает полосу пропускания, допуская одновременное обращение к нескольким блокам памяти. В этом случае процессор может за одно и то же время передать больше информации в память или из памяти.

При расслоении системная память разделяется на несколько блоков. Обычно их два или четыре, что называется расслоением по двум (two-way) или четырем (four-way) направлениям. Обращение к каждому блоку производится с использованием отдельных линий управления, которые объединяются на шине памяти. Когда начинается операция считывания или записи в одном блоке, считывание или запись в других блоках можно совместить (перекрыть - overlap) с операцией первого. Чем больше блоков, тем больше перекрытий можно реализовать.

Чтобы получить наилучшую производительность в такой системе памяти, последовательные (соседние) адреса памяти распределяются по разным блокам памяти. Другими словами, при наличии четырех блоков памяти с расслоением система не должна вначале заполнять первый блок, затем второй и т.д. Она использует все четыре блока, распределяя память таким образом, чтобы оказалось возможным использовать расслоение.

Расслоение памяти из-за увеличения стоимости поддерживается не всеми материнскими платами. Оно требуется в высокопроизводительных системах, например серверах, которые должны быстро обрабатывать огромные объемы информации.

Технологии микросхем DRAM

Микросхемы DRAM выпускаются по различным технологиям, хотя, в общем, разнотипные микросхемы очень похожи. Они различаются своей организацией и особенностями обращения. По мере повышения скорости процессоров память должна работать быстрее и эффективнее. Многие компании разработали интересные архитектуры памяти, имеющие небольшое время обращения.

На практике различия между многочисленными технологиями микросхем DRAM не слишком значительны. Большинство запросов данных от процессора удовлетворяются в современных РС из L1-кэша или L2-кэша, что маскирует многие улучшения в эффективности микросхем DRAM. Кроме того, на производительность РС влияет не только память, но и другие компоненты. Часто наличие просто большей памяти оказывается для производительности важнее наличия лучшей памяти.

Не забывайте также, что в своей основе DRAM есть DRAM. Различия в названиях технологий вызываются, главным образом, тем, как организована и конфигурирована DRAM внутри модуля, как она адресуется и какие специальные схемы используются для повышения скорости. Например, в некоторых модулях DRAM имеется внутреннее SRAM (кэш), что повышает скорость работы.

Примечание: Чтобы лучше разобраться в материале этого раздела, рекомендуется прочитать его полностью, так как многие технологии DRAM определяются путем сравнения их с предыдущими, несколько устаревшими технологиями.

Технологии DRAM и относительная производительность

К сожалению, технология DRAM превратилась в жонглирование словами и трудно определить, какие микросхемы лучше всего использовать в конкретном РС. Практически невозможно разобраться в том, что окажется следующим "хитом" в промышленности. В таблице слева приведены основные технологии микросхем DRAM.

Самое сильное влияние на используемый на материнской плате тип памяти оказывает системный чипсет. Фактически поддержка чипсетом может способствовать быстрому и повсеместному внедрению технологии, например EDO, или затормозить ее распространение, например BEDO. Документация на материнскую плату обычно содержит сведения о том, какие типы памяти поддерживает плата.

В общем, всем желательно использовать наиболее быструю память, которую поддерживает материнская плата, если, конечно, она не слишком дорога. Некоторые пользователи приобретают дорогую память, которая всего на несколько процентов быстрее более дешевой памяти, хотя можно повысить производительность и более эффективным способом, например приобретая больше памяти. Некоторые платы поддерживают несколько типов памяти и обычно можно использовать любой совместимый тип. Необходимо учитывать, что микросхемы некоторых новых технологий значительно дороже старых, но обеспечивают только незначительное повышение производительности.

Имеются две причины, которые нужно учитывать, слыша о том, что новая технология значительно повысит производительность. Во-первых, наличие вторичного кэша скрывает скоростные достоинства памяти, так как обычно собственно из памяти удовлетворяется всего 5-10% запросов данных от процессора. Во-вторых, сейчас большинство РС работает в пакетном режиме и необходимо учитывать общее число тактов синхронизации для всего пакета их четырех циклов, а не просто максимальную скорость передачи данных.

Рассмотрим известный пример из мира Pentium. В 1996 г. наиболее популярными чипсетами были 430HX и 430VX фирмы Intel. Чипсет 430VX поддерживает микросхемы SDRAM, а 430HX не поддерживает. Многие считали, что чипсет 430VX в силу этого лучше, поскольку SDRAM может передавать данные за 1 такт синхронизации, а чипсет 430HX должен использовать микросхемы EDO, которые передают данные за 2 такта синхронизации. Кажется, что SDRAM повышает производительность в два раза! На самом деле это не так. Полная временная диаграмма пакета чипсета 430VX для микросхем SDRAM имеет вид 7-1-1-1, а чипсета 430HX для микросхем EDO имеет вид 5-2-2-2. Суммы всех тактов отличаются незначительно. Если учесть другие новинки чипсета 430HX, то окажется, что он даже быстрее чипсета 430VX, несмотря на более медленную память EDO. Действительно значительное улучшение производительности обеспечивает чипсет 430TX, который поддерживает SDRAM с диаграммой 5-1-1-1.

Наконец, переход на микросхемы новой технологию облегчает модернизацию РС, так как память можно легко использовать с другими материнскими платами. Однако приходится учитывать и то обстоятельство, что новые материнские платы часто требуют применения микросхем памяти, выполненных по новой технологии.

Обычные микросхемы DRAM

Наиболее старые и медленные микросхемы памяти выпускались по технологии, которая называется регулярной (regular), или обычной (conventional), памятью DRAM. В ней используется стандартный способ адресации памяти - вначале подается адрес строки, а затем адрес столбца. Это наиболее простой тип памяти, который не требует никакой специальной совместимости. В современных РС такие микросхемы не применяются.

Микросхемы Fast Page Mode (FPM) DRAM

Микросхемы быстрого страничного режима (Fast Page Mode - FPM) несколько быстрее обычных микросхем DRAM. Если стандартные микросхемы DRAM требуют выдачи адресов строки и столбца при каждом обращении, то в FPM адрес строки выдается только один раз для многих обращений к соседним ячейкам памяти, что улучшает время обращения. Сама память FPM является усовершенствованным вариантом ее предшественника - памяти страничного режима (page mode), которая сейчас применяется очень редко.

Несмотря на слово "fast" (быстрая) в ее названии, фактически FPM является самой медленной памятью в современных РС. Почти каждый РС, выпущенный за последние годы и рассчитанный на обычную асинхронную память DRAM, будет поддерживать и FPM. Это самая "безопасная" технология, так как использование ее не требует никакой специальной совместимости или поддержки. Однако она обеспечивает меньшую производительность по сравнению с другими технологиями памяти. Она также не подходит для шин памяти с частотой выше 66 МГц из-за необходимости введения большого числа состояний ожидания. Обычно на частоте 66 МГц память FPM DRAM обеспечивает временную диаграмму пакетного режима в виде 5-3-3-3.

Микросхемы Extended Data Out (EDO) DRAM

Самый распространенный тип асинхронных DRAM называется памятью с расширенным выходом данных (Extended Data Out - EDO). Такая память несколько быстрее памяти FPM из-за использования нового особенного приема. Говоря по-простому, схемы синхронизации памяти EDO модифицированы таким образом, что новое обращение к памяти можно начать до окончания предыдущего обращения. Выигрыш в производительности по сравнению с памятью FPM составляет всего 3-5%. Вокруг памяти EDO было много шума, но реальное повышение производительности оказалось незначительным.

Стоимость производства микросхем EDO примерно такая же как и микросхем FPM, а из-за широкого распространения на рынке более быстрые микросхемы EDO даже дешевле микросхем FPM. До недавнего времени память EDO была стандартом для РС пятого и шестого поколений, но сейчас в РС шестого поколения ее вытесняет память SDRAM. Обычно память EDO обеспечивает временную диаграмму 5-2-2-2 на частоте 66 МГц при наличии оптимизированного чипсета. Ее можно использовать и с более быстрыми шинами, соответственно настроив временную диаграмму.

Память EDO требует поддержки системного чипсета. РС с процессорами Pentium и усовершенствованные материнские платы с процессорами 486 поддерживают эту память. Более старые РС с памятью EDO обычно не работают или замедляют ее.

Предупреждение: Некоторые РС допускают использование микросхем EDO в одном банке памяти и микросхем FPM в другом, но другие в такой конфигурации не работают. Отдельные РС будут работать, но скорость всей памяти будет определяться медленными микросхемами FPM.

Микросхемы Burst Extended Data Out (BEDO) DRAM

Память BEDO представляет собой еще один эволюционный шаг в совершенствовании обычных асинхронных RAM. В этом случае память EDO объединяется с конвейерной технологией и специальные регистры-защелки обеспечивают более быстрое обращение по сравнению с обычной памятью EDO. При наличии поддерживающего чипсета временная диаграмма памяти BEDO может иметь вид 5-1-1-1.

Память BEDO не получила широкого распространения из-за отсутствия поддержки чипсетами. По производительности она конкурировала с памятью SDRAM и память SDRAM оказалась победителем. Основная причина этого заключалась в том, что память SDRAM поддерживали очень популярные чипсеты фирмы Intel, а память BEDO они не поддерживали. Поддержка чипсетами очень важна для принятия рынком новой технологии памяти.

Микросхемы Synchronous DRAM (SDRAM)

Память SDRAM отличается от прежних типов тем, что она не работает асинхронно с системной синхронизацией, как обычные типы памяти. SDRAM "привязана" к системной синхронизации и может считывать и записывать в пакетном режиме (после запаздывания начальной операции считывания или записи) за один такт синхронизации на обращение (нуль состояний ожидания) при скорости шины памяти 100 МГц и даже выше. Память SDRAM при использовании с поддерживающим ее чипсетом обеспечивает временную диаграмму 5-1-1-1. SDRAM реализует более быстрое обращение за счет внутренних улучшений, включая внутреннее расслоение (interleaving), что позволяет половине модуля начать обращение в то время, как вторая половина заканчивает предыдущее обращение.

Память SDRAM быстро стала новым стандартом памяти для современных РС, так как поддерживает намного большие скорости шины. Однако SDRAM не дает значительного повышения "внешней" производительности, так как системный кэш маскирует различие скоростей. По мере того, как системная шина 100 МГц становится превалирующей, память SDRAM вытесняет старые технологии.

Имеется несколько важных характеристик, которые относительно уникальны для технологии SDRAM:

• Скорость и согласование скорости: Скорость модулей SDRAM обычно дается в наносекундах, например "12 нс" или "10 нс", или в мегагерцах, например "83 МГц" или "100 МГц". Поскольку микросхемы SDRAM синхронные, они должны быть достаточно быстрыми для РС, в котором они применяются. В асинхронных DRAM, например EDO или FPM, можно вводить дополнительные состояния ожидания для компенсации слишком медленной памяти. Однако вся новизна технологии SDRAM заключается в способности работать без состояний ожидания. Именно поэтому память должна быть достаточно быстрой для скорости системной шины.
• Показатель скорости: Фирма Intel разработала формальную спецификацию РС100 для памяти SDRAM, способной работать в новых РС. Такие модули обычно имеют параметр времени обращения 8 нс. Рекомендуется, чтобы используемая в РС память SDRAM удовлетворяла спецификации PC100.
• Запаздывание: Микросхемы SDRAM являются все же и DRAM, а поэтому имеют запаздывание. Скорость 12, 10 и 8 нс, о которой все говорят, относятся только ко второму, третьему и четвертому обращениям в пакете. Первое медленное обращение длится 5 тактов синхронизации, как и в обычной памяти EDO и FPM.
• Схемы 2-clock и 4-clock: Есть две незначительных разновидности в компоновке модулей SDRAM, которые обычно называются модулями 2-clock и 4-clock. Они почти одинаковы и используют одинаковые микросхемы, а отличаются расположением и обращением. Память 2-clock SDRAM структурирована так, что каждый сигнал синхронизации управляет двумя разными микросхемами DRAM в модуле, а память 4-clock SDRAM имеет сигналы синхронизации, которые управляют четырьмя микросхемами. Современная тенденция направлена на использование памяти 4-clock SDRAM.
• Микросхема Serial Presence Detect: Появились материнские платы, требующие использования специальных модулей SDRAM, которые имеют микросхему Serial Presence Detect (SPD). Она представляет собой EEPROM, которое содержит информацию о скорости и конструктивных особенностях модуля. Материнская плата получает из микросхемы информацию о модуле и соответственно корректирует работу РС. Все это в теории хорошо, но как быть, если вы купили модуль SDRAM без микросхемы SPD, а материнская плата требует наличия этой микросхемы ...
• Конструктивные особенности: Обычно память SDRAM выпускается в виде модулей DIMM с различными форматами (буферированный и небуферированный, на питание +3.3 В и +5 В). Это необходимо учитывать для согласования модуля с материнской платой.

В начале 1999 г. несколько компаний, производящих чипсеты, решили выпустить чипсеты, которые поддерживали более быструю память PC133 SDRAM.

В начале 2000 г. компания NEC выпустила первые модули памяти 128 МБ и 256 МБ на основе уникальной технологии памяти с виртуальным каналом (Virtual Channel Memory - VCM). Эти модули по конструктиву и контактам совместимы со стандартными модулями SDRAM. Архитектура VCM повышает эффективность шины памяти за счет набора быстрых статических регистров, находящихся между ядром памяти и контактами ввода-вывода. Введение этих регистров снижает запаздывание обращения к памяти. Каждый запрос данных от запросчика (Memory Master - MM) содержит отдельные и уникальные характеристики. В обычных модулях SDRAM несколько запросов от нескольких запросчиков могут вызвать пробуксовку страниц и конфликты между банками, что снижает эффективность шины памяти. В архитектуре VCM каждому запросчику присваивается виртуальный канал. Наличие отдельных характеристик запроса каждого запросчика памяти позволяет запоминающему устройству параллельно выполнять операции считывания, записи и регенерации, повышая скорость передачи данных.

Микросхемы Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM)

Всего несколько лет назад была разработана "обычная" память SDRAM для замены устаревших асинхронных микросхем FPM и EDO. Однако вскоре "прозвенел звонок" и для SDRAM - был предложен новый стандарт Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM).

DDR SDRAM функционирует как обычная память SDRAM, но удваивает полосу пропускания, передавая данные два раза в такте - по нарастающему и спадающему фронтам сигнала синхронизации. Обычно только один из фронтов использовался для инициирования передачи данных, а в памяти DDR SDRAM используются оба. Такой же прием реализован в ускоренном графическом порту (Accelerated Graphics Port - AGP) для повышения его производительности по сравнению с шиной PCI.

Микросхемы Direct Rambus DRAM (DRDRAM)

Еще одним конкурирующим за замену SDRAM стандартом является память Direct Rambus DRAM (DRDRAM) (ранее называлась "Rambus DRAM" или "RDRAM"). В отличие от памяти DDR SDRAM и SLDRAM, которые представляют собой эволюционный шаг в развитии обычной SDRAM, память DRDRAM является революционным шагом вперед. Она привлекла всеобщее внимание потому, что фирма Intel решила использовать эту технологию в новых чипсетах совместно с компанией Rambus (http://www.rambus.com), которая разработала эту технологию.

Работа памяти DRDRAM больше напоминает внутреннюю шину, а не обычную подсистему памяти. Она опирается на так называемый Direct Rambus Channel, представляющий собой быструю 16-битовую шину, работающую на частоте 400 МГц. Как и в памяти DDR SDRAM, передачи производятся по обоим фронтам сигнала синхронизации, что обеспечивает теоретическую полосу пропускания примерно 1.6 ГБ/с. Это подход сильно отличается от современного обращения к широкой 64-битовой шине памяти. Как и в памяти SDRAM, в памяти DRDRAM применяется специальная микросхема Serial Presence Detect (SPD) для сообщения материнской плате характеристик модуля DRDRAM при загрузке системы. Для этой памяти разработана специальная конструкция модуля, называемая Rambus Inline Memory Module (RIMM).

Память Rambus может стать следующим стандартом памяти для РС, но уверенно об этом пока говорить нельзя, так как в конкурентной борьбе маркетинг часто побеждает инжинииринг (engineering). Имеется мнение, что DRDRAM может даже оказаться не лучшим решением для будущих РС. Решение фирм Intel и Rambus взимать плату за лицензирование может привести к тому, что эта память не получит всеобщего признания, как это случилось в вое время с шиной MicroChannel Architecture (MCA).

Микросхемы Synchronous-Link DRAM (SLDRAM)

Основным "конкурентом" для стандарта DRDRAM является новый стандарт, называемый Synchronous-Link DRAM (SLDRAM). Он разработан Консорциумом SLDRAM (http://www.sldram.com/) - группой из 20 крупнейших компаний компьютерной индустрии, которая пытается превратить SDRAM в следующий стандарт быстродействующей памяти для РС.

SLDRAM значительно повышает производительность подсистемы памяти по сравнению с SDRAM, не предлагая совершенно новой архитектуры, как это реализовано в DRDRAM. Начальная спецификация SLDRAM обещает 64-битовую шину, работающую с частотой синхронизации 200 МГц. Как и в DDR SDRAM передачи данных производятся два раза в каждом такте синхронизации, обеспечивая эффективную скорость 400 МГц. В результате теоретическая полоса пропускания составляет 3.2 ГБ/с, что вдвое больше, чем в DRDRAM. Кроме того, SLDRAM является открытым стандартом, т.е. за использование этой технологии платить не нужно.

Микросхемы Video RAM (VRAM)

Современные видеоадаптеры имеют свою собственную память, отделенную от основной системной памяти. Требований к видеопамяти предъявляется гораздо больше, чем к системной памяти. К хранимому изображению для его изменения непрерывно обращается процессор (много раз в секунду, например, во время динамичной игры), а видеокарта должна также непрерывно обращаться к содержанию памяти от 50 до 100 раз в секунду для отображения информации на дисплее. Поэтому видеокарты дали толчок к разработке новых технологий памяти, многие из которых допускают одновременные обращения к памяти процессора и схемы регенерации видеокарты. Такая память называется двухпортовой (two-port memory) или Video RAM (VRAM). Микросхемы VRAM быстрее микросхем обычной памяти и дороже их. Имеется и несколько других новых технологий памяти, обеспечивающих повышение производительности видеокарт.

Сравнение временных диаграмм для разных технологий

В следующей таблице приведены идеальные, т.е. наилучшие, временные диаграммы для рассмотренных технологий при работе на частоте 66 МГц. Для достижения этих диаграмм требуется оптимизированный чипсет.

Емкость (размер) памяти

В этом разделе обсуждаются вопросы, относящиеся к емкости, или размеру (size) системной памяти. Показано также, как емкость памяти влияет на производительность.

Максимальная системная память

Каждый РС поддерживает определенный максимальный объем памяти, который определяется несколькими ограничивающими факторами:

• Пределы адресуемости: Каждый процессор имеет предел памяти, к которой он может обращаться. Он зависит от ширины системной шины адреса: 32 бита адреса обеспечивают адресацию 4 ГБ физической памяти, а 36 - 64 ГБ.
• Ограничения чипсета: Контроллер памяти является компонентом системного чипсета и каждый чипсет имеет предел управляемой памяти. Для большинства настольных РС этот предел составляет от 128 до 512 МБ, а для серверов этот предел намного выше. Кроме того, многие чипсеты имеют предел кэшируемой (cacheable) памяти, который ниже предела общей памяти. При обращении к памяти, которая не перекрывается вторичным кэшем, производительность системы значительно снижается.
• Конструктивные ограничения: В современных РС используются модули памяти SIMM или DIMM. Материнская плата и чипсет определяют, сколько модулей SIMM или DIMM можно использовать в РС. Ограниченная емкость этих модулей и ограниченное число слотов для них накладывают еще одно ограничение на емкость памяти РС.
• Финансовые ограничения: Даже при современных низких ценах стоимость памяти емкостью 4 ГБ значительно превосходит стоимость типичного РС.

Поскольку большинство РС имеют намного меньше памяти, чем они потенциально могут использовать, обычно максимальная память не является решающим фактором. Но ограничения на нее могут сказаться в мощных рабочих станциях и серверах.

Примечание: В дополнение к приведенным ограничениям на размер памяти может влиять и операционная система. Например, старые 16-битовые операционные системы DOS и Windows 3.x не могли работать с памятью более 64 МБ.
<р3>Максимальная кэшируемая память

Многие РС не позволяют кэшировать всю память, которую они могут поддерживать. Например, популярные чипсеты серии 430xx фирмы Intel имеют четыре варианта: 430FX, 430VX, 430HX и 430TX. Все они кроме 430HX поддерживают максимальную системную память 128 МБ, но допускают кэшировать только 64 МБ (чипсет 430TX допускает общую память 256 МБ, но кэширует только 64 МБ). Память свыше 64 МБ кэшем второго уровня L2 не кэшируется. Использование системной памяти сверх кэшируемой приводит к значительному снижению производительности в зависимости от скорости самой "чрезмерной" памяти.

Реальная и виртуальная память

Под реальной памятью (real memory) понимают микросхемы памяти, которые имеются в РС. Все программы фактически выполняются в этой физической памяти. Однако часто полезно разрешить РС "считать" что он имеет память, которой фактически нет, чтобы разрешить выполнение программ, которые из-за своего размера физически не помещаются в память или разрешить мультизадачность, когда одновременно выполняются несколько программ. Такой прием называется виртуальной памятью (virtual memory).

Принцип работы виртуальной памяти довольно простой. Предположим, что операционной системе требуется 80 МБ памяти для хранения всех выполняющихся программ, а в РС имеется физическая память только 32 МБ. Операционная система образует 80 МБ виртуальной памяти и использует для управления ею менеджер виртуальной памяти (virtual memory manager), т.е. программу, предназначенную для управления виртуальной памятью. Менеджер виртуальной памяти образует на жестком диске файл размером 48 МБ (80 минус 32). После этого операционная система может использовать адреса памяти 80 МБ. Операционной системе кажется, что как будто имеется память 80 МБ, а менеджер виртуальной памяти обеспечивает работу с имеющейся реальной памятью 32 МБ.

Разумеется, не все 80 МБ находятся в физической памяти 32 МБ. Оставшиеся 48 МБ размещаются на диске в том файле, которым управляет менеджер виртуальной памяти. Этот файл называется файлом своппинга (swap file). Когда операционной системе требуется блок памяти, который в данный момент отсутствует в физической памяти, менеджер виртуальной памяти выбирает блок физической памяти, который давно не использовался, записывает его в файл своппинга, а затем считывает нужный блок из файла своппинга и помещает его в реальную память на место старого блока. Этот процесс называется своппингом (swapping), или "подкачкой". Блоки памяти, участвующие в своппинге, называются страницами (pages).

Именно виртуальная память обеспечила реализацию мультизадачности. Без нее было бы нельзя одновременно выполнять программы базы данных и электронной таблицы, не имея достаточной реальной памяти. Виртуальная память применяется во всех РС с мультизадачными операционными системами, например Windows 95/98/2000.

Конечно, виртуальная память снижает производительность. Чем больше виртуальная память по сравнению с реальной памятью, тем больше своппинг с жестким диском, а жесткий диск намного медленнее системной памяти. Попытка использовать одновременно слишком много программ в системе с небольшой системной памятью приводит к постоянному дисковому своппингу, называемому "пробуксовкой" (thrashing).

Пробуксовка может очень сильно ухудшить производительность РС. Она часто возникает при попытке использовать операционную систему со значительными служебными потерями, например Windows NT, в РС с недостаточной системной памятью. Если установить Windows NT в РС с памятью всего 16 МБ, операционная система при запуске приложения будет постоянно выполнять своппинг, так как для работы самой Windows NT требуется примерно 12-16 МБ. PC не сможет одновременно хранить в памяти Windows NT и приложение и будет постоянно заниматься своппингом системных задач и задач приложения с привлечением жесткого диска.

В реальном РС необходимо внимательно управлять использованием всей памяти. Некоторые системы пытаются повысить производительность с помощью кэширования диска (disk caching). Однако при этом система резервирует так много системной памяти для кэширования обращений к диску, что оставшейся памяти оказывается недостаточно и возникает пробуксовка.

Емкость памяти и производительность системы

Емкость памяти в РС сильно влияет на его общую производительность. Наличие памяти недостаточной емкости снижает скорость системы. Этого часто не понимают многие пользователи РС. Например, некоторые жалуются на то, что их РС слишком медленный и хотят установить более быстрый процессор. Оказывается, что они пытаются выполнить несколько приложений или сложных игр под под Windows 95, имея всего 8 МБ памяти. В этом случае переход на новый процессор окажется бесполезной тратой денег, если не увеличить системную память.

Строго говоря, емкость памяти в РС не влияет ни на скорость работы памяти, ни на скорость работы процессора, чипсета, материнской памяти и других основных компонентов РС. Однако это справедливо только при условии, что все выполняющиеся программы помещаются в системное RAM. Все мультизадачные операционные системы используют виртуальную память, которая позволяет РС считать, что в нем есть больше памяти, чем фактическая реальная память. Непомещающиеся в нее программы и данные хранятся в файле своппинга на жестком диске.

Предположим, что в РС с памятью 8 МБ под Windows 95 запущены программы текстового процессора, электронной таблицы и календаря. Общий объем виртуальной памяти для этих приложений в зависимости от их версий может составить до 24 МБ. Сама Windows 95 требует для системных задач около 8 МБ. В результате получается, что при наличии памяти 8 МБ РС все время должен приостанавливаться и производить своппинг с жестким диском. Если же имеется память 32 МБ, можно хранить в ней все программы и данные, не обращаясь к жесткому диску, а это приведет к очень существенному повышению производительности.

Важность наличия достаточной системной памяти показывает такой пример. Компьютер с процессором 80486DX2-66 и памятью 32 МБ работает быстрее компьютера с процессором Pentium 133 при наличии памяти 8 МБ. И это при том, что Pentium примерно второе превосходит процессор 80486DX2-66. Система расходует очень много времени на своппинг, когда процессор просто простаивает.

Сколько же памяти нужно иметь? Ответить на этот вопрос непросто. Он сильно зависит от того, для чего будет применяться РС. Для работы с одним DOS-приложением на медленном РС вполне достаточно 4 МБ, если приложению не требуется больше. Во многих графических рабочих станциях имеется память 256 МБ. Емкость необходимой для РС памяти продолжает увеличиваться по мере увеличения объемов программ и данных. Если несколько лет назад память 8 МБ считалась вполне подходящей, то сейчас ее совершенно недостаточно. Тенденция увеличения емкости RAM будет продолжаться и в будущем благодаря снижению цен на микросхемы памяти.

Совет: В процессе работы на РС следите за светодиодом жесткого диска на корпусе РС. Его интенсивное "подмигивание" при переключении задач означает, что операционная система вынуждена использовать виртуальную память. А это служит индикатором необходимости увеличения памяти. Конечно, свечение индикатора при загрузке программ не означает использования виртуальной памяти.

В общем, чем больше памяти, тем лучше, но при этом нельзя забывать о кэшируемости, так как некоторые РС не кэшируют память сверх определенного предела. Кроме того, для памяти действует закон уменьшения значимости прироста: при каждом увеличении памяти прирост производительности оказывается меньше, чем при предыдущем увеличении. Переход от 8 МБ к 16 МБ для большинства пользователей Windows 95 дает огромный прирост производительности, а при переходе от 16 МБ к 24 МБ прирост производительности оказывается меньше.

Для большинства систем имеется точка своеобразного "насыщения", в которой добавление памяти почти не влияет на производительность. Позиция этой точки определяется, в основном, выполняемыми приложениями. Например, при работе с огромными мультимедийными файлами РС может использовать столько памяти, сколько можно установить. Для большинства пользователей точка "насыщения" находится в районе 48 МБ.

В таблице приведены примеры операционных систем и приложений, а также диапазоны рекомендуемой памяти. Конечно, приводимые цифры только приблизительные; например, при работе с несколькими приложениями в Windows NT памяти 32 МБ явно недостаточно:

Память влияет на общую производительность системы и еще в одном отношении. При наличии большой памяти позволяет выделить часть ее для дискового кэша (disk cache). Этот прием повышает производительность системы, позволяя избежать ненужных операций считывания и записи в очень медленном жестком диске.

Конструктивное оформление памяти

Как и процессоры, память выполняется на крошечных пластинках (chips) кремния, помещенных в небольшие корпуса - микросхемы. Во многих случаях микросхемы объединяются в большие элементы (модули). Сейчас в мире РС имеется много конструктивных оформлений памяти и выбрать подходящий для конкретного РС стало довольно трудным делом. В данном разделе рассмотрены основные типы конструктивного оформления памяти и приведены рекомендации по выбору как типов микросхем, так и модулей памяти.

Корпуса DIP и модули памяти

Первые микросхемы памяти имели пластиковые или керамические корпуса с двухсторонним расположением выводов (Dual Inline Package - DIP). Корпус DIP представляет собой прямоугольник с выводами (контактами, "ножками" - pins) по более длинным сторонам. Они видны на модулях SIMM или DIMM как небольшие черные "бляшки". Корпус DIP был стандартным для большинства микросхем и даже первые процессоры выпускались в больших корпусах DIP.

В старых РС использовались сами микросхемы DIP, которые впаивались в материнскую плату или вставлялись в сокеты (панельки - sockets), которые впаивались в материнскую плату. Емкость памяти была небольшой (не превышала 1 МБ) и такой способ монтажа был наиболее простым. Однако у него был существенный недостаток - в случае выхода из строя микросхемы памяти приходилось выбрасывать всю материнскую плату или сложными операциями ремонтировать ее.

Микросхемы в сокетах ставили еще одну проблему. При тепловом расширении микросхемы "вылезали" из сокетов (chip creep). В старых РС при появлении ошибок памяти приходилось открывать корпус и пальцами "заталкивать" микросхемы в сокеты. Кроме того, усложнялась модернизация памяти.

Через некоторое время был освоен выпуск микросхем памяти в миниатюрных корпусах с J-образными выводами (Small Outline J-leaded - SOJ). Такое название объяснялось тем, что выводы микросхемы были изогнуты по форме буквы "J". Корпуса SOJ были рассчитаны на технологию поверхностного монтажа (surface mount), т.е. они монтировались непосредственно на поверхности печатной платы.

Сейчас самым распространенным типом корпуса для микросхем памяти является тонкий миниатюрный корпус (Thin Small Outline Package - TSOP). Этот корпус также рассчитан на поверхностный монтаж, а его название объясняется тем, что он значительно тоньше корпуса SOJ. Впервые корпуса TSOP использовались в ноутбуках, а сейчас они широко используются в модулях памяти.

В отличие от рассмотренных корпусов DIP, SOJ и TSOP в корпусах размером с микросхему (Chip Scale Package - CSP) для монтажа на плате не используются выводы. Они заменены матрицей шариковых контактов (Ball Grid Array - BGA), которые находятся внизу корпуса. Такой тип корпуса используется в микросхемах RDRAM (Rambus DRAM).

В новых РС корпуса DIP впаиваются в небольшие схемные платы, называемые модулями памяти (memory modules). Наиболее распространены модули памяти с односторонним расположением выводов (Single Inline Memory Module - SIMM) и модули памяти с двухсторонним расположением выводов (Dual Inline Memory Module - DIMM). Схемные платы вставляются в специальные сокеты на материнской плате, что решает проблему "вылезания" микросхем. Такая конструкция повышает надежность и благодаря стандартизации модулей упрощает модернизацию.

Память с паритетом, без паритета и ECC-память

Большинство модулей памяти выпускаются в вариантах с паритетом (parity) и без паритета (non-parity), а некоторые в варианте ECC-модулей (Error Correcting Code). Память без паритета представляет собой "обычную" память с запоминающим элементом для хранения каждого бита данных. Память с паритетом имеет дополнительный бит для каждых 8 битов данных; этот бит применяется для обнаружения ошибок. В новейших ECC-модулях имеются дополнительные биты, которые используются для исправления ошибок.

Память с паритетом и ECC-память обычно дороже памяти без паритета. Вначале это объяснялось дополнительными микросхемами (больше на 12.5% - один бит для каждых восьми). Сейчас повышение стоимости объясняется лишним питанием и производство по заказу, так как память без паритета выпускается в намного больших количествах. ECC-память вновь становится популярной и в результате цены на нее снижаются.

Память с паритетом обычно работает в системах без паритета и дополнительные биты паритета просто игнорируются. Однако память без паритета не работает в системе, рассчитанной на память с паритетом (если не выключить контроль по паритету в программе настройки BIOS, а некоторые старые РС даже не разрешают это).

Стандартные и фирменные модули памяти

Промышленным стандартом стали три наиболее распространенных типа модулей памяти (30-контактные и 72-контактные SIMM и 168-контактные DIMM). В подавляющем большинстве РС применяются именно стандартные модули SIMM/DIMM. Этим обеспечивается гибкость и упрощается модернизация памяти.

Некоторые компании выпускают фирменные (proprietary) модули памяти. Часто их очень трудно отличить от стандартных модулей SIMM и DIMM. Естественно, при модернизации памяти приходится применять фирменные модули, которые обычно дороже стандартных.

Модули SIMM

Модули с односторонним расположением выводов (SIMM) пока остаются наиболее популярными в мире РС, хотя в новых моделях их вытесняют модули DIMM. Имеются два варианта модулей SIMM - 30-контактные и 72-контактные. 30-контактные модули SIMM широко применялись в материнских платах РС третьего и четвертого поколений, а 72-контактные - в РС четвертого, пятого и шестого поколений.

Модули SIMM вставляются в специальные сокеты на материнской плате. Для обеспечения надежного контакта модуль вставляется в сокет под углом около 60 градусов, а затем поворачивается так, чтобы модуль оказался перпендикулярным плате. При этом срабатывают специальные металлические зажимы, имеющиеся с каждой стороны сокета. Ключ на модуле обеспечивает вставку его только в правильном положении.

Емкость 30-контактных модулей SIMM обычно составляет от 1 МБ до 16 МБ. Ширина памяти модуля 8 битов (плюс бит паритета в модулях с паритетом). 72-контактные модули имеют ширину 4 байта (32 бита) плюс 4 бита паритета в варианте с паритетом.

Модули SIMM выпускаются как односторонние (single-sided) или двухсторонние (double-sided) в зависимости от размещения микросхем памяти. Все 30-контактные модули SIMM являются односторонними, а 72-контактные модули выпускаются в обоих вариантах. 72-контактные модули SIMM емкостью 1 МБ, 4 МБ и 16 МБ обычно односторонние, а емкостью 2 МБ, 8 МБ и 32 МБ обычно двухсторонние. Всегда необходимо посмотреть, какие емкости модулей SIMM поддерживает конкретная материнская плата. Большинство материнских плат поддерживает 30-контактные или 72-контактные модули SIMM, но не оба типа, хотя некоторые платы допускают установку обоих типов модулей.

Модули DIMM

Модули с двухсторонним расположением выводов разработаны для РС пятого и шестого поколений. Они имеют 168 контактов и обеспечивают ширину памяти 64 бита. Фактически они стали стандартом de facto для новых РС и не могут использоваться в старых материнских платах.

Физически модули DIMM отличаются от модулей SIMM важным моментом. Модули SIMM имеют контакты с каждой стороны схемной платы, но они включены параллельно, что обеспечивает более надежное соединение. Однако модули DIMM имеют разные подключения с каждой стороны схемной платы. Это позволяет уменьшить размеры модулей, но делает их более чувствительными к правильной установке и хорошим электрическим контактам.

Модули DIMM вставляются в специальные сокеты на материнской плате, аналогичные сокетам для модулей SIMM. Емкость модулей составляет 8 МБ, 16 МБ, 32 МБ и 64 МБ, но имеются модули большей емкости с более высокой удельной стоимостью (на МБ). Обычно на модулях DIMM установлены микросхемы памяти, выполненные по технологии SDRAM. Напряжение питания составляет +3.3 В или +5 В. Имеются варианты модулей с буферированием и без буферирования. Стандартными сейчас стали небуферированные модули с напряжением питания +3.3 В. В лаптопах применяются модули DIMM уменьшенных физических размеров (Small Outline DIMM - SO-DIMM).

Модули RIMM

Модуль RIMM означает модуль памяти Direct Rambus. Модули RIMM внешне напоминают модули DIMM, но имеют другое число контактов и передают данные 16-битовыми блоками. Поскольку повышенные время обращения и скорость передачи связаны с выделением тепла, для защиты микросхем от перегрева на модуль одевается алюминиевая крышка, которая называется рассеивателем тепла (heat spreader). На рисунке показан 184-контактный модуль RIMM со снятыми рассеивателями тепла. Для портативных компьютеров выпускаются модули SO-RIMM меньших размеров.

Золоченые и оловянные контакты и сокеты

Большинство людей не обращают внимания на цвет контактов модулей памяти и сокетов, а это важно. Контакт и сокеты могут быть золоченые (желтого цвета) или оловянные (серебряного цвета). В большинстве старых материнских плат для модулей SIMM применялись золоченые сокеты, а в новых - оловянные. Важно обеспечить использование модулей с одинаковыми металлами для контактов и сокетов, так как прямой контакт разных металлов вызывает со временем химическую реакцию, что нарушает надежность соединения.

Сейчас стандартом для модулей SIMM стали оловянные контакты и сокеты, так как при правильном использовании олово обеспечивает надежное соединение. Однако для модулей DIMM вновь стали применяться золоченые контакты и сокеты. Приведем три наиболее распространенных формата модулей памяти с указанием металла для их контактов и сокетов:

• 30-контактные модули SIMM: Самый старый тип модуля обычно с золочеными контактами.
• 72-контактные модули SIMM: Обычно имеют оловянные контакты.
• 168-контактные модули DIMM: Обычно выпускаются только с золочеными контактами.

Банки памяти

Данные из памяти в процессор и из процессора в память передаются по шине данных. Ширина шины данных определяет, сколько информации можно передать в каждом такте синхронизации. Чтобы использовать достоинства всей ширины шины данных процессора необходимо организовать системную память так, чтобы в каждом такте использовалась вся ширина шины данных.

Единица памяти, ширина которой соответствует ширине шины данных, называется банком (bank) памяти. Большинство современных РС имеют ширину шины данных 32 бита (четвертое поколение) или 64 бита (пятое и шестое поколения). РС не считывает из частичного банка памяти и промежутки между банками не допускаются. РС даже не запускается, если первый банк не заполнен полностью.

Большинство РС имеет место для нескольких банков памяти, например двух, трех и более. Банки обычно нумеруются, начиная с нуля. Первым всегда должен заполняться банк с меньшим номером, а сами банки должны всегда заполняться последовательно.

Каждый модуль памяти устроен так, что допускает одновременное обращение к определенной ширине битов. 30-контактные модули SIMM имеют ширину 8 битов данных, 72-контактные модули SIMM имеют 32 бита данных, а модули DIMM имеют 64 бита. При использовании паритета на каждые 8 битов данных добавляется по одному биту паритета. Каждый модуль может содержать микросхемы DRAM разных типов, если соблюдается правильная ширина. При выборе модуля памяти необходимо согласовать ширину модуля с шириной шины данных процессора при условии обеспечения полного банка памяти. Следующая таблица показывает, как это сделать.

Как видно из таблицы, в РС с процессором Pentium для образования одного банка требуются два 72-контактных модуля SIMM. Вот почему необходимо всегда применять пару модулей SIMM при покупке памяти для этих РС. Однако на практике некоторые материнские платы Pentium не требуют пары 72-контактных модулей SIMM. Как же это возможно? В этом случае чипсет производит два последовательных обращения к 32-битовой памяти, допуская применение банка в 32 бита. Такая нестандартная настройка ухудшает производительность, поэтому таких материнских плат следует избегать.

Необходимо всегда использовать идентичные модули SIMM, когда для образования банка требуется несколько модулей. В противном случае могут возникнуть проблемы с временной диаграммой материнской платы.

Спецификации емкости памяти

Для указания емкости и ширины модулей памяти применяются специальные обозначения, знание которых поможет выбрать подходящую для РС память.

Модули памяти имеют определенную ширину. Каждый модуль одного и того же типа имеет одну и ту же ширину, например все 72-контактные модули SIMM с паритетом имеют одинаковую ширину, а все 72-контактные модули SIMM без паритета имеют такую же ширину. Модули SIMM большей емкости, но с одинаковым форматом (например, 72-контактный модуль SIMM 16 МБ и 72-контактный модуль SIMM 8 МБ) имеют больше памяти, потому что они имеют большую глубину (depth) памяти для каждого бита ширины. Модули SIMM или DIMM обычно определяются с использованием примерно такого обозначения "2x32-60". Здесь "x" читается как "по". Более общий способ обозначения выглядит как "DxW-S" и вот что обозначает каждое число:

• D: Это глубина (depth) модуля в миллионах. Для каждого бита ширины имеется столько мегабитов (не байтов) памяти. Это число обычно равно 1, 2, 4 или 8. Для меньших модулей SIMM оно может быть 256 или 512 и представляет в этом случае килобиты глубины, а не мегабиты.
• W: Это ширина (width) модуля в битах. Каждый тип модуля SIMM или DIMM имеет одну и ту же ширину. Это число обычно равно 8, 32 или 64 для модулей без паритета и 9, 36 или 72 для модулей с паритетом или ECC.
• S: Это скорость (speed), или быстродействие, модуля в наносекундах. Иногда скорость не указывается как часть спецификации, но каждый модуль имеет определенную скорость.

Несколько запутывает тот факт, что обычно емкость памяти в мегабайтах явно не показывается и ее необходимо определять из приводимых чисел. Как же интерпретировать обозначение "2x32-60"? Это 72-контактный модуль SIMM (так как он имеет ширину 32 бита). Емкость модуля равна 2 миллиона (глубина - depth) x 32 бита (ширина - width). Так как 32 бита равны 4 байтам, емкость модуля SIMM равна 8 МБ. Быстродействие модуля составляет 60 нс. Рассмотрим теперь обозначение "4x9-70". Это 30-контактный модуль SIMM (так как он имеет ширину только 9 битов). Глубина равна 4 миллионам битов, поэтому емкость модуля SIMM составляет 4 миллиона x 9 битов. Число "9" показывает, что это модуль с паритетом; для хранения данных используются только 8 битов, а девятый предназначен для обнаружения ошибок. Общая емкость модуля равна 4 МБ, а быстродействие 70 нс.

В следующей таблице приведены спецификации емкости наиболее распространенных модулей (реально имеются не все показанные модули, например нет 30-контактного модуля SIMM с емкостью 8 МБ). Отметим отличие в спецификациях 30-контактного модуля 4 МБ (4х8) и 72-контактного модуля 4 МБ (1х32):

Совет: Простое определение емкости модуля в мегабайтах по его спецификации "DxW": умножить числа D и W (если D равно 256 или 512, использовать 0.25 или 0.5). Затем разделить произведение на 8 (для памяти без паритета) или на 9 (для памяти с паритетом).

Емкость и качество микросхем DRAM

Для большинства пользователей совершенно неважно знать характеристики микросхем DRAM в модулях SIMM или DIMM. Однако не все модули SIMM абсолютно одинаковы. Некоторые старые РС могут работать только с модулями, содержащими конкретные микросхемы. Важно также знать качество микросхем DRAM.

Отдельные микросхемы, как и сами модули SIMM, обозначаются в виде "глубина x ширина". Выпускается множество разнотипных микросхем и, в общем, модуль SIMM можно образовать из любой комбинации микросхем DRAM, которые обеспечивают необходимые глубину и ширину. Например, 30-контактный модуль SIMM 1x9 1 МБ с паритетом обычно содержит либо 9 микросхем 1Mx1, либо две микросхемы 1Mx4 и одну 1Mx1. В обоих случаях суммарная емкость одинакова и равна 1Mx9.

Микросхемы DRAM маркируются с указанием номера и длинной цепочки из букв и цифр. Точный номер зависит от производителя, но часто номера имеют одинаковые последние цифры, помогающие идентифицировать тип и емкость микросхемы. Однако прежде всего необходимо идентифицировать производителя, а сделать это нелегко в силу двух причин. В таблице слева приведены основные компании-производители микросхем DRAM и их маркировки.

Во-первых, вместо полного названия компании часто указывается сокращенный код. Во-вторых, производители часто продают менее качественные микросхемы под другим названием. Часто производители продают высококачественные микросхемы (иногда называемые "A grade") крупным потребителям и маркируют названием потребителя. Менее качественные микросхемы их иногда называют "C grade"), например с меньшим быстродействием, продаются дешевле с другой маркировкой. Точная разница между высококачественными и низкокачественными микросхемами определяется производителем.

В следующей таблице приведены типичные емкости микросхем DRAM, используемых в модулях памяти. Приведена конфигурация микросхемы (глубина х ширина), а затем в скобках - последние четыре цифры маркировки номера микросхемы:

Композиция микросхем в модулях памяти

В общем, высококачественные модули SIMM и DIMM используют меньшее число микросхем большей емкости. В более дешевых модулях используют большее число микросхем меньшей емкости. Поскольку сокеты модулей SIMM очень близки друг к другу, применение модулей с большим числом микросхем ухудшает охлаждение, что особенно сказывается в случае двухсторонних модулей SIMM. Кроме того, чем больше микросхем, тем больше потребляемая энергия.

Дешевые модули SIMM 8 МБ часто выпускаются с 16-ю микросхемами 4 Мбит. Многие "второсортные" материнские платы не работают с четырьмя такими модулями, так как для 64 микросхем не хватает мощности питания. Некоторые модули SIMM 64 МБ содержат 36 микросхем DRAM и блок питания не обеспечивает достаточной мощности для памяти большой емкости.

В следующей таблице показана типичная композиция микросхем для 30- и 72-контактных модулей SIMM без паритета, которые обычно содержат 2, 4, 8, 16 или 32 микросхем. Производители модулей стараются применять наиболее эффективные микросхемы, подходящие для заданных глубины и ширины:

Примерно так же выглядит таблица и для модулей SIMM с паритетом, которые обычно содержат 3, 9, 12, 18, 24 или даже 36 микросхем.

Показатели качества модулей памяти

Считая, что "память есть память", многие пользователи совершают ошибки при приобретении модулей памяти для модернизации РС. Очень легко по прайс-листам или в Internet найти и купить самые дешевые модули. Даже многие продавцы плохо ориентируются в оценках качества модулей памяти. Сложившаяся ситуация объясняется конкурентной борьбой поставщиков, а потребители плохо разбираются в том, что они покупают. Ошибочно считая, что вся память одинакова, многие просто покупают самую дешевую. Положение усложняется и тем, что в большинстве РС не используется память с паритетом и пользователи часто не понимают, что многие проблемы в РС вызывает память.

При сравнении модулей памяти необходимо учитывать следующие показатели их качества:

• Качество микросхем DRAM: Узнайте компанию-производитель микросхем DRAM. Если поставщик не может назвать ее, лучше поискать память в другом месте. Не приобретайте модулей памяти, на которой нет маркировки или она не соответствует крупнейшим производителям микросхем.
• Число микросхем в модуле: Это число должно быть по возможности как можно меньше.
• Качество модуля: Модуль с микросхемами компании "Toshiba" совсем не обязательно произведен этой компанией. Если микросхемы DRAM производятся на крупных предприятиях, то сами модули выпускаются многочисленными компаниями. Стремясь сэкономить на производственных расходах, некоторые из них мало заботятся о качестве модулей. Рекомендуется приобретать модули памяти, выпускаемые крупными компаниями с хорошей репутацией.
• Гарантия: Хорошая компания дает годовую гарантию на модули памяти, а некоторые предоставляют гарантию на весь срок службы (такой срок используется очень редко, если память не выходит из строя в первые 90 дней).

Флэш-память и магнитная память

Флэш-память

Флэш-память (flash memory), впервые появившаяся в середине 80-х годов прошлого века, представляет собой полупроводниковую энергонезависимую перезаписываемую память, работа которой напоминает совместную работу RAM и жесткого диска. Она похожа на обычную память тем, что выпускается в виде отдельных микросхем, модулей или карт памяти. Как в обычных микросхемах DRAM и SRAM биты хранятся в ячейках памяти, но как жесткий диск флэш-память является энергонезависимой, сохраняя свое содержание при выключении питания.

Несмотря на свои очевидные преимущества по сравнению с RAM (энергонезависимость) и с жестким диском (отсутствие подвижных деталей), имеется несколько причин того, почему флэш-память не может заменить ни RAM, ни жесткий диск. Из-за ее схемных особенностей флэш-память необходимо стирать блоками данных, а не отдельными байтами, как в RAM. Это обстоятельство вместе со значительно более высокой стоимостью флэш-памяти и ограниченным числом записей (примерно 100 000) делает ее неподходящей альтернативой для замены RAM в качестве основной памяти РС. Несмотря на то, что "флэш-накопители" меньше, быстрее и потребляют меньшую мощность по сравнению с жесткими дисками, их ограниченная емкость около 100 МБ, а также высокая стоимость не позволяет им заменить стандартные жесткие диски РС. Вместе с тем такие достоинства флэш-памяти, как высокое быстродействие, долговечность и малая потребляемая мощность, делает ее идеальной для множества применений - цифровые камеры, сотовые телефоны, принтеры, ручные компьютеры, пейджеры и магнитофоны.

Мировым лидером в производстве флэш-памяти является компания Samsung Electronics. Наиболее известные карты памяти SmartMedia и CompactFlash определили стандарты в этой области. Сейчас выпускаются карты памяти 128 МБ, а в 2001 г. планируется выпуск карты памяти емкостью 512 МБ. Вместе с тем не исключено, что в будущем флэш-память вытеснит память с совершенно новой технологией - магнитная память RAM.

Магнитная память RAM

В конце 2000 г. фирма IBM и немецкая компания Infineon Technologies AG объявили планы совместных исследований по созданию совершенно новой магнитной памяти RAM (Magnetic Random Access Memory - MRAM), которая обещает новые перспективы для портативных компьютеров.

В основе работы MRAM лежит миниатюрный элемент магнитный туннельный переход (magnetic tunnel junction), разработанный компанией IBM еще в 1974 г. Он позволяет использовать для хранения информации магнитный заряд, как в жестких дисках, в отличие от электрического заряда, как в обычных микросхемах DRAM. Микросхема MRAM сохраняет единицы и нули двоичных данных в магнитном материале, который находится между двумя металлическими слоями.

Новая технология объединяет лучшие качества многих разновидностей памяти - низкую стоимость и большую емкость динамических RAM, высокую скорость статических RAM и энергонезависимость флэш-памяти. MRAM может значительно улучшить многие изделия, так как позволяет хранить больше информации, обращаться к ней быстрее и использовать для работы меньшую мощность по сравнению с обычной полупроводниковой памятью.

Поскольку MRAM сохраняет информацию при выключении питания, то такие устройства как персональные компьютеры, могут запускаться мгновенно, без продолжительного процесса загрузки. Энергонезависимость означает также значительное снижение потребляемой мощности, а это продлевает срок службы батарей в сотовых телефонах, ручных компьютерах, лаптопах и других устройствах с батарейным питанием.

К началу 2002 г. должно проясниться, можно ли практически использовать эту технологию для массового производства микросхем. Если такая возможность подтвердится, то первые коммерческие микросхемы MRAM будут выпущены в 2004 г., а к 2010 г. эта технология составит серьезную угрозу кремниевым микросхемам памяти.

Установка модулей памяти

Предположим, что вы приобрели дополнительные или новые модули памяти и хотите установить их в РС. Для этого вам потребуется следующее:

• Руководства по компьютеру и материнской плате. Для установки модулей памяти необходимо открыть корпус и найти на материнской плате сокеты для модулей памяти. Возможно, что придется отсоединить некоторые кабели и периферийные устройства, а по окончании установки восстановить соединения. Разумеется, перед открыванием корпуса необходимо выключить РС и все периферийные устройства.
• Небольшая отвертка. Корпуса большинства РС собираются и разбираются с помощью отвертки (отсюда и возникло название "отверточная технология").

Часто причиной повреждения модулей памяти является разряд статического электричества (Electro-Static Discharge - ESD)., который накапливается на теле и одежде человека. Поэтому при работе внутри РС рекомендуется пользоваться заземленным браслетом. Если его нет, то до касания любого электронного компонента необходимо вначале коснуться рукой неокрашенного заземленного металлического объекта. Удобнее всего касаться металлической рамы внутри РС. Кроме того, всегда берите модуль памяти за края.

Установка модулей SIMM

1.Выключите РС и выньте из розетки кабель питания.
2. По руководству найдите на материнской плате сокеты модулей памяти.
3. Снимите заряд статического электричества, касаясь неокрашенного заземленного металлического объекта.
4. Аккуратно возьмите модуль памяти за края.
5. Как показано на рисунке слева, модуль и сокет имеют ключи. Небольшой пластиковый мостик в сокете необходимо выровнять с изогнутой выемкой в модуле. Этим гарантируется правильная вставка модуля в сокет.
6. Вставьте модуль в сокет под небольшим углом и проверьте, что модуль полностью вошел в сокет. Модуль должен входить в сокет без значительных усилий.
7. Когда модуль правильно вставлен в сокет, поворачивайте его вверх до срабатывания зажимов на каждой стороне сокета.
8. После установки всех модулей, закройте корпус РС, вставьте в розетку электросети вилку шнура питания и восстановите все соединения.

Установка модулей DIMM

1. По руководству найдите на материнской плате сокеты модулей памяти.

Если все сокеты заполнены, придется удалить старые модули меньшей емкости.
2. Иногда модули DIMM можно устанавливать в любой сокет, а в некоторых случаях может потребоваться устанавливать модули в определенной последовательности в зависимости от емкости модуля. Посмотрите в руководстве правильный порядок установки модулей памяти.
3.Вставьте модуль в свободный сокет так, как показано на рисунке. Наличие ключа позволяет вставить модуль только с правильной ориентацией. Осторожно нажмите на верхний край модуля для надежной его фиксации. Повторите эту процедуру для всех устанавливаемых модулей .
4. Большинство 168-контактных модулей DIMM имеет зажимы, которые применятся только при необходимости удалить модуль.

Установка модулей RIMM

Модули RIMM устанавливаются в специальные 184-контактные разъемы (RIMM connectors). Сейчас на материнской плате имеются два разъема, в каждый из которых можно вставить модуль RIMM или C-RIMM (continuity RIMM), который не содержит модулей памяти, а служит "переходником", обеспечивающим непрерывный тракт для сигнала.

1. По руководству найдите на материнской плате сокеты модулей памяти.

2.В большинстве случаев модули Rambus можно вставлять в любой свободный сокет, но в любом незанятом сокете должен находиться "переходник". В некоторых конфигурациях модули RIMM необходимо устанавливать в определенном порядке; об этом следует посмотреть в руководстве.
3.Вставьте модуль в свободный сокет так, как показано на рисунке. Наличие ключа позволяет вставить модуль только с правильной ориентацией. Осторожно нажмите на верхний край модуля для надежной его фиксации.
4. Модули RIMM имеют зажимы, которые автоматически фиксируют модуль и применяются только при необходимости удалить модуль.

Установка модулей памяти в портативном компьютере

Несмотря на то, что все больше портативных компьютеров, в частности, ноутбуков, работают со стандартными модулями памяти SO-DIMM, в некоторых моделях применяются фирменные модули с уникальными форм-факторами. Поэтому стандартов на установку модулей памяти в ноутбуках нет и для конкретной модели необходимо всегда посмотреть руководство. Далее показано, как установить типичный 144-контактный модуль памяти SO-DIMM.

1. Перед установкой памяти выключите компьютер и отключите батарею.

2. Вставьте модуль в сокет под небольшим углом (примерно 30 градусов). Отметим, что модуль и сокет имеют ключи, поэтому модуль можно установить только одним способом.
3. Вставьте модуль в сокет, прикладывая небольшое давление к каждому концу модуля, пока он не войдет в сокет. При этом контактные площадки почти полностью окажутся в сокете.
4. Затем поворачивайте модуль назад, как показано на рисунке, до тех пор, пока не сработают зажимы с каждой стороны сокета (при этом обычно слышится четкий щелчок).

Поиск и устранение неисправностей памяти

Когда в памяти возникают проблемы, их причинами обычно бывают:

• Неправильное конфигурирование: В компьютере использован неверный модуль или нарушены правила конфигурирования.
• Неправильная установка: Ненадежно установлен модуль памяти, отсутствует соединение в сокете или требуется прочистить сокет.
• Дефектный модуль: Вышел из строя модуль памяти.

Тот факт, что многие компьютерные проблемы проявляются как проблемы памяти, затрудняет поиск неисправности. Например, проблема с материнской платой или приложением может вызвать появление сообщения об ошибке памяти. Приведем основные этапы поиска неисправностей, которые применимы практически в любой ситуации.

1. Проверка использования подходящего для данного РС модуля памяти. На Web-сайте производителя посмотрите номер модуля. Многие производители памяти имеют конфигураторы, которые показывают совместимые модули. Рекомендуется также посмотреть руководство по РС.
2. Проверка правильности конфигурирования памяти. Во многих РС требуется устанавливать память банками одинаковой емкости. Некоторые РС требуют, чтобы модуль максимальной емкости находился в банке с наименьшим модулем, другие требуют заполнения всех сокетов, а третьи - использования однобанковой памяти. Это только некоторые примеры специальных требований конфигурирования. Правила конфигурирования памяти обычно содержатся в руководстве по компьютеру.
3. Повторная установка модуля. Мягко нажмите на модуль. В большинстве случаев при правильной установке модуля слышен четкий щелчок. Чтобы дополнительно убедиться в правильной установке модуля, сравните высоту модуля с высотой модулей в соседних сокетах.
4. Перестановка модулей. Удалите новый модуль памяти и посмотрите, сохранится ли проблема. Удалите старый модуль памяти и вставьте на его место новый модуль. Проверьте работу модуля в различных сокетах. Перестановка позволяет определить, вызвана ли проблема конкретным модулем или сокетом или несовместимостью модулей.
5. Чистка сокета или контактов модуля памяти. Мягкой ветошью прочистите контакты модуля. С помощью компьютерного пылесоса удалите пыль из сокета. Не пользуйтесь никакими растворителями, которые могут вызвать коррозию контактов. Для этого имеется специальное чистящее средство под названием Flux Offs.
6. Модернизация BIOS. Производители компьютеров поддерживают на своих Web-сайтах информацию об усовершенствованиях BIOS. Проверьте, что в вашем РС имеется новейшая версия BIOS. Такая проверка особенно важна после инсталлирования нового приложения или значительной модернизации памяти.