lektsii__2_semestr (Лекции)

ТЕМА №4: Оперативная память:

1.Аппаратная классификация памяти

Существует «программная классификация» (8 групп) и «аппаратная классификация» (5 групп). Аппаратная классификация

Доступные операции с данными

1. Память только для чтения (ROM read-onlymemory – память только для чтения).

2. Память для чтения/записи(RAMrandomaccessmemory — память с произвольной вы­боркой)

ROMреализована конструктивно в виде микросхемы ПЗУ

RAM– в виде модулей ОЗУ.

ROM

Постоянная память – память, в которой постоянно хранятся данные и команды необходимые для запуска компьютера.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – техническое устройство, реализующее функции постоянной памяти.

Содержимое постоянной памяти называет­ся BIOS (basicinput-outputsystem/базовая система ввода-вывода). Данные, занесенные в постоянную память, не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут их только считывать. ПЗУ строится на основе модулей, устанавливаемых на материнской плате.

RAM

Оперативная память — часть компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения операций.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)- техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти (модули памяти).ОЗУ располагается в специальных разъемах на материнской плате

ОЗУ - энергозависимая память в отличии от ПЗУ: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется.

Р ис Внешний вид модулей оперативной памяти

Передача данных в/из оперативную память процессором производится непосредственно, либо через кеш-память.

Чем больше объем оперативной памяти, тем более сложную программу и на более высокой скорости способен выполнить компьютер.

2.Устройство и принцип работы оперативной памяти

Устройство

Основу оперативной памяти составляют ячейки, созданные в полупроводниковом материале – кремниевой подложке (кремний или германий), которая представляет собой тонкую (250 - 600 мкм) пластину диаметром до 300 мм, на поверхности которой с помощью операций (аналогичных производству процессора) формируется массив полупроводниковых приборов.

В каждой ячейке можно хранить определённый объём данных - одна из степеней двойки: 8 бит, 16 бит, 32 бита, 64 бита, 128 бит.

Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком.

Ячейки расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных линиях матрицы.

Принцип работы памяти

Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес (число)по которому к ним могут обращаться команды процессора.

Чтобы считать информацию из ячейки, подаётся адресный сигнал в соответствующую строку (Row), происходит активация строки (Activate), с определенной задержкой, которая составляет 2—5 тактов процессора. Такая задержка называется RAS-to-CAS Delay в (BIOS за нее отвечает параметр tRCD). Для чтения подаётся команда на чтение (Read) и данные считываются из соответствующей колонки (Column) массива. Данные появляются на выходе с некоторой задержкой, составляющей 1—4 такта процессора.

Обычно на блок-схемах всё это объединяется и обозначается как "SenseAmplifiers".

Рис. 24 Принцип работы оперативной памяти

Ячейки памяти могут быть статическими (SRAM) и динамическими (DRAM), таким образом, оперативная память подразделяется на следующие типы.

3.Типы оперативной памяти

По принципу функционирования различают микросхемы двух типов:

1. с статической выборкой (SRAM - staticRAM).

2. с динамической выборкой (DRAM - dynamicRAM)

SRAM

Статическая память SRAM основана на использовании слож­ных ячеек — триггеров, состоящих из 4...6 транзисторов, в их структуре отсутствуют конденсаторы, поэтому время доступа к данным составляет 0,7- 0,8 нс.Триггеры применяются в наиболее дорогих компонентах памяти - кэш-памяти: процес­соров, жестких дисках.

DRAM

Динамическая память основана на схеме, состоящей из одного или двух конденсаторов и одного транзистора. Время до­ступа к данным в этой памяти составляет 7...8 нс (наносекунд).

Принцип действия – называется «динамическое поддержание заряда конденсатора» - при отсутствии подачи электроэнергии происходит разряд конденсаторов, и память опустошается (обнуляется). Для поддержания необходимого напряжения на конденсаторах ячеек и сохранения их содержимого, их необходимо периодически подзаряжать, такой процесс периодической подзарядки конденсатора называется «регенирацией данных». За процесс регенирации отвечает контроллер в чипсете. (конденсаторы заряжают в случае, когда в «ячейку» записывается единичный бит, и разряжают в случае, когда в «ячейку» необходимо записать нулевой бит).

Основными характеристиками DRAM являются рабочая частота и тайминг.

Тайминг памяти – это промежуток времени, в котором при обращении к ячейке памяти контроллер памяти задаёт номер банка, номер страницы в нём, номер строки и номер столбца.

Основными таймингами DRAM являются:

Время полного доступа (RAS to CAS delay) - задержка между подачей номера строки и номера столбца.

Время рабочего цикла (CAS delay) - задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки.

Тайминги измеряются в наносекундах, и чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память.

4.Типы динамической памяти

В 1998 году появилась SDRAM - synchronous DRAM - синхронная память. Рабочие частоты 66, 100 или 133 МГц.

В 2001 году была разработана DDR SDRAMDoubleDataRate SDRAM— удвоенная скорость передачи данных, за счет того, что данные передаются по 2 бита на один импульс.Память DDR SDRAM работает на частотах в 166 и 200 МГц.

В 2004 году был выпущен новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM, основывается на технологии DDR SDRAM. Память может работать с тактовой частотой шины 200 - 600 МГц.

В 2008 был разработан новый тип памяти DDR3 SDRAM. Этот тип памяти основан на технологиях DDR2 SDRAM. Память работает с тактовой частотой шины 800 – 2400 МГц.

В 2011был разработан новый тип памяти DDR4 SDRAM. Этот тип памяти основан на технологиях DDR3 SDRAM. Память работает с тактовой частотой шины 2 133 до 4 266 МГц.Отличается пониженным энергопотреблением по сравнению с предшественниками.

5.Типы модулей оперативной памяти (конструктивное исполнение памяти DRAM)

Модуль памяти – микросхемы, размещенные на одной пластине, которая вставляется в разъем на плате.

Модули фиксируются в разъёме (сокете) с помощью защёлок, путём установки платы под некоторым углом и нажатия на неё до приведения в вертикальное положение.

SIMM (SingleIn-lineMemoryModule - модули памяти в один ряд) — модули памяти, широко применявшиеся в компьютерных системах в 1990-е годы.

Модули типа SIMM (SingleIn-lineMemoryModule) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядом контактных площадок вдоль одной из её сторон. Выпускались модули на 4, 8, 16, 32, 64, 128 Мбайт.

Рис. Модуль SIMM

С появлением 64-разрядной шиныданных по причине низкого быстродействия SIMM-модулей стало появлением первых модулей DIMM.

D IMM(DualIn-LineMemoryModule — упакованная в два ряда на корпусе память).Модули типа DIMM (DualIn-lineMemoryModule) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих её сторон

Микросхемы памяти на них могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы.

• DIMM-модуль с 168 контактами использует микросхемыSDRAM.

• DIMM-модуль с 184 контактами использует микросхемы DDRSDRAM,

• DIMM-модуль с 240 контактами использует микросхемы DDR2,DDR3SDRAM.

• DIMM-модуль с 288 контактами использует микросхемы DDR4SDRAM.

Рис. Различные корпуса DRAM.

Сверху вниз: DIMM (168-контактный),

DIMM (184-контактный)

SODIMM (SmallOutlineDIMM — малогабаритный DIMM) — платы, памяти которые использу­ются для ноутбуков.

Модули SO-DIMM существуют в 72-, 100-, 144-, 200- и 204-контактном исполнении

Рис. Модуль DDR2 в 204-контактном корпусе SO-DIMM

RIMM(RambusIn-LineMemoryModule – памятьсмикросхемамиRambus). Модули типа менее распространены, в них выпускается память типа RDRAM. Они представлены 168- и 184-и 242 контактными разновидностями, причём на материнской плате такие модули обязательно должны устанавливаться только в парах, в противном случае в пустые разъёмы устанавливаются специальные модули-заглушки (это связано с особенностями конструкции таких модулей). Модули данного типа имеют металлический экран для защиты контактов от наводок (помех).

Рис. Модуль RIMM

ТЕМА: Дисковые накопители памяти

Дисковые накопители памяти – этозапоминающие устрой­ства ПК, которые представляют собой дисковые накопители памяти различной конструкции:

1. жесткий диск, типа винчестер;

2. оптический дисковод.

1. Назначение HDD

HDD(HardDiskDrive — устройство управления жестких дисков), НЖМД- накопитель на жестких магнитных дисков или винчестер и предназначен для хранения основной информации.Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жёсткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что совпало с калибром "30/30" известного охотничьего ружья "Винчестер".

Жесткий диск – энергонезависимая память и из всех устройств для хранения данных они обеспечивают наиболее быстрый доступ к ним и высокую скорость считывания, уступая в этом отношении только оперативной памяти.

Жесткие диски названы так потому, что твердые пластины жестко устанавливаются на вал двигателя на заводе и являются несъемными.

2.Устройство HDD и принцип работы устройства

Жесткие диски могут иметь одну пластину, илинесколько, расположенных одна под другой, при этом у каждой пластины сверху и снизу находится по магнитной головке.

1.Система чтения и записи, которая состоит:

1. головки –при помощи которых происходит запись или чтение данных с пластин. Число головок определяется коли­чеством рабочих поверхностей пластин. Для записи и для чтения исполь­зуются разные головки.

2. ползуны - головки крепятся к гибким металлическим ползунам. За счёт вращения дисков возникает воздушная подушка, которая и приподнимает ползуны над поверхностью пластин. Ползуны имеют форму, которая напоминает крыло самолета и обеспечивают парение головок на высоте (в 5-10 раз тоньше человеческого волоса) над поверхностью пластин.

3. рычаги блока головок - обеспечивают перемещение ползунов с голо­вками над пластинами в радиальном направлении.

4. блок головок – совокупность рычагов с головками, число которых соответствует числу рабочих поверх­ностей пластин, которые собраны в блок и надёжно зафиксированы друг относительно друга.

5. гибкий шлейф - обеспечивает передачу электрических сигна­лов между головками и остальной электро­никой винчестера. Шлейф должен быть очень гибким и прочным, чтобы выдержать миллиарды сгибаний-разгибаний при работе накопителя. Для его укладки с опти­мальным прогибом часто используют специальные пласт­массовые направляющие.

1. Магнитные диски. Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Диски ранних конструкций имели оксидное покрытие (окись железа), современные диски - кобальтовое покрытие. Форм-фактор винчестера зависит от диаметра пластин: 5,25" (устаревший); 3,5" (89 мм), 2,5" (64 мм); 1,8" и 1,0" дюйма.

2. Привод головок. Движения блока головок задаются отдельным приводом. От него требуются высокая точность позиционирования рычагов с головками относительно поверхности пластин и быстрая реакция на команды о перемещении головок на новое место. Это электромагнитные приводы, действующие по принципу акустической катушки (динами­ка). Такие приводы состоят из мощного постоянного маг­нита и расположенной параллельно ему плоской индукци­онной катушки.

4. Привод шпинделя. Пакет пластин крепится на шпинделе основного мотора вин­честера. Этот привод обеспечивает высокую скорость вра­щения - в современных винчестерах от 5400 до 15000 об/мин. Для уменьшения шума при работе накопителя в подвеске шпинделя применя­ются гидродинамические подшипники.

5. Разъем питания - предназначен для подключения винчестера к блоку пи­тания.

6 . Разъёмы интерфейса – для подключения к системной плате компьютера.Плата электроники - вся электронная часть винчестера размещена на одной пла­те, которая крепится к корпусу накопителя снизу. Электроника включает в себя контроллеры управления приводами (шпиндель и головки), интерфейса обмена данными с компьютером и канал чте­ния-записи данных.