Pamięć DRAM

DRAM

Pamięć operacyjna (robocza) komputera - zwana pamięcią RAM (ang. Random Acces Memory - pamięć o swobodnym dostępie) służy do przechowywania danych aktualnie przetwarzanych przez program oraz ciągu rozkazów, z których składa się ten program. Pamięć RAM jest pamięcią ulotną, co oznacza, iż po wyłączeniu komputera, informacja w niej zawarta jest tracona

Struktura pamięci RAM

Pamięć górna (Upper Memory) zajmuje obszar do adresu A0000 do FFFFF (640 KB - 1 MB) niedostępny do oprogramowania użytkownika. Obszar ten (384 KB) podzielony jest na kilka części o ściele ustalonym przeznaczeniu:

Pamięć dodatkowa - Expanded Memory: Ograniczenia adresowe procesora 8086 limitujące wielkość pamięci RAM do 1 MB zmusiły konstruktorów do poszukiwania sposobów zwiększenia dostępnej pamięci użytkowej. Technicznie uzyskano to poprzez zastosowanie dodatkowej karty pamięci z układami RAM - zwanej Expanded Memory. Fizycznie adresowanie tej dodatkowej pamięci rozszerzonej realizował standard LIM 3.2: w wolnym nie wykorzystanym dotąd obszarze Upper Memory wydzielono specjalne okno - page frame - za pomocą, którego można się odwoływać do dowolnego segmentu zainstalowanej pamięci dodatkowej Expanded Memory. Umożliwia to ściąganie w porcjach po 64 KB zawartości tej pamięci poprzez okno page frame do pamięci konwencjonalnej i użytkowanie zawartych w nich danych przez oprogramowanie aktywne z pamięci konwencjonalnej.

Pamięć rozszerzona (Extended Memory): Procesory 286 i nowsze posiadające ponad 20 bitową magistralę adresową umożliwiają bezpośrednie adresowanie pamięci RAM powyżej 1 MB. Obszar ten może być wykorzystywany do dowolnych celów za wyjątkiem uruchamiana procesów, gdyż te ze względu na nieciągłość obszaru pamięci mogą być aktywne jedynie w obszarze pamięci konwencjonalnej. Wiąże się to właściwością systemu DOS, który może pracować tylko w trybie rzeczywistym. Lepsze wykorzystanie dają systemy operacyjne pracujące w trybie chronionym, takie jak Windows i OS.
Szczególne znaczenie w obszarze Extended Memory ma pierwszy blok 64 KB powyżej granicy 1 MB - tzw. obszar wysokiej pamięci (High Memory Area). W komputerach z procesorami 286 i nowszymi, przy zainstalowaniu pamięci RAM większej niż 1 MB, w wyniku segmentowego sposobu adresacji pamięci, istnieje możliwość wykorzystania tego obszaru przez DOS i umieszczaniu w nim zasobów systemu.

Podział pamięci

SRAM - (Static RAM), pamięć statyczna wykonana w oparciu o tranzystory bipolarne. Cechuje ją bardzo krótki czas dostępu do poszczególnej komórki i nie ulotność. Niestety, pamięci SRAM są drogie, dlatego też wykorzystuje się je głównie jako pamięci cache.
DRAM - (Dynamic RAM) pamięć dynamiczna wykonana w oparciu o tranzystory MOS. Pamięć ta jest wolniejsza niż pamięć SRAM a w dodatku jest ona ulotna. Aby pamięć ta nie utraciła danych trzeba ją odświeżać z częstotliwością, co najmniej kilkaset Hz. Odświeżanie polega na zwykłym odczycie zawartości komórki.
SDRAM - (Synchronous Dynamic RAM) pamięć dynamiczna, synchroniczna. Pamięć ta jest podobna do pamięci DRAM, z tym, że dostęp do komórek pamięci jest zsynchronizowany z zewnętrznym zegarem taktującym procesor.

Wygląd pamięci

Przegląd stosowanych pamięci:

Więcej o DRAM (Dynamic RAM).
Ponieważ pamięć DRAM traci informacje w miarę upływu czasu, jedynym sposobem utrzymania jej jest okresowe odnawianie stanu wszystkich wierszy w dwuwymiarowej matrycy bitów tworzącej pamięć. Przykładowo utrzymanie informacji w pamięci DRAM o pojemności 256 KB wymaga adresowania każdego z 256 wierszy, co 4 ms. Istotna zaleta pamięci dynamicznych jest kilkakrotnie niższa cena od pamięci statycznej SRAM, przy takiej samej pojemności informacji jak w pamięci statycznej. Istnieje wiele wersji pamięci dynamicznych DRAM różniących się pojemnością (256 kb-64 Mb w jednym układzie), czasem dostępu (15 - 150 ns), organizacja pamięci (1-, 4-, 8-, 16-, i 64-bitowa), konstrukcja (jednorzędowe SIL i dwurzędowe DIL) oraz sposobem dostępu od strony systemu operacyjnego i urządzeń zewnętrznych (dostęp jedno- lub wielokanałowy). Najbardziej popularne są pamięci jednokanałowe o dużej pojemności i jednobitowej szerokości słowa.
W pamięciach DRAM bit informacji magazynowany jest zawsze w postaci ładunku elektrycznego zgromadzonego na kondensatorze. Niestety, owego ładunku nie da się przechowywać przez dowolnie długi czas - stąd konieczność odświeżania. Celowym procesem ładowania i rozładowywania kondensatora steruje zaś podłączony do niego tranzystor - normalnie znajduje się on w tzw. stanie zaporowym, "przytrzymując" zgromadzony na kondensatorze ładunek elektryczny. W trakcie odczytu ów tranzystor przełączany jest w stan przewodzenia (potrzebne jest do tego jednoczesne doprowadzenie dwóch napięć) i jeżeli na kondensatorze znajdował się ładunek elektryczny, "spływa on" do detektora. Wykryty impuls prądowy jest interpretowany jako jedynka, natomiast jego brak to logiczne zero. Po dokonaniu odczytu musi nastąpić ponowne zapisanie informacji (została ona skasowana przez rozładowanie kondensatora). Aby zapamiętać powtórnie dane w komórce, wystarczy przyłożyć do bramki tranzystora napięcie (wpisanie logicznego zera) i ewentualnie przesłać dodatkowy impuls prądowy (logiczna jedynka) w celu ponownego naładowania kondensatora.

Jak przebiega odczyt danych w pamięciach DRAM?

Pierwszą fazę żądania odczytu z pamięci stanowi podanie adresu wiersza, w którym znajduje się żądana komórka i zatwierdzeniu tego adresu, po ustabilizowaniu się stanu szyny adresowej sygnałem RAS (Row Address Strobe). Następnie na szynę adresową pamięci podawany jest adres kolumny, zawierającej żądaną komórkę, który zatwierdzany jest sygnałem CAS (Column Address Strobe). Odstęp czasu pomiędzy sygnałami RAS i CAS wynika z konstrukcji pamięci i musi zapewnić czas nie tylko na ustabilizowanie się stanu szyny adresowej, lecz także na wysterowanie wiersza do odczytu. Z pojęciem RAS i CAS związane są dwa istotne parametry użytkowe pamięci operacyjnej - tak zwane opóźnienie "RAS to CAS" oraz latencja CAS (ang. CAS Latency). Jak można się domyślić, w obu przypadkach chodzi o liczbę cykli zegara, które upływają od momentu podania sygnału na szynę adresową do chwili otrzymania na wyjściu odpowiedzi. Opóźnienie "RAS to CAS" to czas pomiędzy oboma typami sygnału, potrzebny na włączenie detektora ładunku gromadzonego na kondensatorze. CAS Latency określa zaś liczbę taktów zegara od podania impulsu CAS do otrzymania na detektorze zawartości komórki pamięci.

Synchroniczna DRAM (SDRAM)

Nowsze plyty glówne zbudowane na ukladach Intel Triton VX i TX oraz VIA 580VP i 590VP potrafia wspólpracowac takze z pamieciami SDRAM (Synchronous Dynamic RAM, nie mylic ze SRAM). Najwazniejsza cecha tego nowego rodzaju pamieci jest mozliwosc pracy zgodnie z taktem zegara systemowego. SDRAM-y moga pracowac w cyklu 5-1-1-1. Istotna róznica jest natomiast mozliwosc bezpiecznej wspólpracy z magistrala systemowa przy predkosci nawet 100 MHz (10 ns). Technologia synchronicznej pamieci DRAM bazuje na rozwiazaniach stosowanych w pamieciach dynamicznych, zastosowano tu jednak synchroniczne przesylanie danych równoczesnie z taktem zegara. Funkcjonalnie SDRAM przypomina typowa DRAM, zawartosc pamieci musi byc odswiezana. Jednak znaczne udoskonalenia, takie jak wewnetrzny pipelining czy przeplot (interleaving) sprawiaja, ze ten rodzaj pamieci oferuje bardzo wysoka wydajnosc. Warto takze wspomniec o istnieniu programowalnego trybu burst, gdzie mozliwa jest kontrola predkosci transferu danych oraz eliminacja cykli oczekiwania (wait states).

DRAM (Dynamic Random Access Memory)

Klasyczna, jednokanalowa pamiec typu DRAM ze swobodnym dostepem, wspóldzielona przez system operacyjny i karte graficzna komputera. Uklady implementowane w tej pamieci nie moga jednoczesnie zapisywac i odczytywac danych, co jest zasadniczym powodem nizszej szybkosci dzialania tej pamieci w porównaniu z innymi typami bardziej nowoczesnych rozwiazan DRAM.

FCRAM (Fast Cycle RAM)

Najnowsza, jedna z najszybszych (20 ns) jednokanalowych pamieci DRAM, o pojemnosciach 64 Mb i 128 Mb, przeznaczona do instalacji w wydajnych serwerach i grafice trójwymiarowej. Umozliwia jednoczesne deszyfrowanie adresów wierszy i kolumn (a nie sekwencyjnie jak w przypadku klasycznych technologii) oraz nakladkowy tryb pracy.

SGRAM (Synchronous Graphics RAM)

Jednokanalowa wersja pamieci DRAM zaprojektowana specjalnie z mysla o bardzo wymagajacych aplikacjach graficznych. Uklad synchronizuje przekaz danych z zegarem, co pozwala przesylac je z wieksza szybkoscia. Pamiec SGRAM pracuje w trybie blokowym (Block Write), szczególnie przydatnym w przypadku przetwarzania obrazów. Pamiec tansza niz klasyczna VRAM.

VRAM (Video RAM)

Najbardziej popularna, dwukanalowa odmiana pamieci DRAM, potrafiaca jednoczesnie odczytywac i zapisywac dane z dwóch zródel informacji. Duza szybkosc przekazu danych pozwala wyswietlic obrazy o wysokiej rozdzielczosci przy wykorzystaniu duzej palety kolorów. Pamiec VRAM pracuje w trybie Block Write, co predysponuje ja do obslugiwania bardzo wymagajacych aplikacji obrazowych.
WRAM (Window RAM) - pracujaca bardzo szybko, dwukanalowa wersja pamieci DRAM, stosowana do wyswietlania obrazów o duzej rozdzielczosci i w dowolnej palecie kolorów. Pamiec WRAM oferuje wiele nowych - niedostepnych w innych rodzajach pamieci RAM – funkcji, ale jest stosunkowo droga.

Zastosowanie pamięci

Pamięć główna (stacje robocze, komputery osobiste, notatniki komputerowe).
Bloki graficzne (bufor obrazu, pamięć wideo).
Rozszerzenia pamięci (moduły typu SIMM i DIMM)
Urządzenia peryferyjne tj. drukarka, faks
Systemy przenośne (notatniki komputerowe)
Systemy wideo (telewizja, magnetowid)
Gry (systemy multimedialne)

Systemy przełączania
Set top box (ATM, MPEG-2)

Aparatura medyczna (aparaty rentgenowskie z wyświetlaniem obrazu, skanery)
Procesory wbudowane

Przyszłość pamięci operacyjnych

Wydawałoby się, ze dostępne rozwiązania będą wystarczające na wiele lat. Niestety, wszystko wskazuje na to, ze wraz ze zwiększaniem się mocy obliczeniowej procesorów, konieczne będzie dalsze zwiększenie wydajności układów pamięci. Na szczęście już teraz wiele dużych i małych koncernów intensywnie pracuje nad udoskonalaniem i rozwijaniem nowych technologii.

Zarządzanie pamięcią operacyjną przez system operacyjny Windows.

W Windows można rozróżnić dwa rodzaje pamięci: fizyczną i wirtualną. Pamięć fizyczna jest pamięcią RAM zainstalowaną na komputerze. Windows automatycznie wykrywa ją i konfiguruje odpowiednio system. Pamięć wirtualna jest pamięcią przechowywaną na dysku twardym. Może ona być automatycznie zarządzana przez Windows, jak również konfigurowana przez użytkownika. Dzięki niej możliwe jest działanie wielu aplikacji w tym samym czasie - osiągnięte jest to niestety kosztem spowolnienia ich pracy. Windows przechowuje pamięć wirtualną w pliku wymiany, który jest ukryty i dostępny tylko dla Windows.

Windows posiada pewne ograniczenia w obsłudze pamięci. Aby użytkownik mógł odpowiednio wcześniej wykryć potencjalne problemy przydzielania pamięci Windows udostępnił takie narzędzia jak: Miernik zasobów i Miernik systemu, które graficznie prezentują poziom używanej pamięci oraz zachowanie podsystemów Windows.

Do problematyki zarządzania pamięcią należy przydzielanie i zwalnianie pamięci, jej podział na rozłączne przestrzenie adresowe procesów, wspólne wykorzystanie, czyli dzielenie, (sharing), np. przez kooperujące watki, zapobieganie fragmentacji, techniki stronicowania i segmentowania, wykonywanie kopii, składowań i rekonstrukcji.

Określanie fizycznej pamięci komputera

Pamięć fizyczna w komputerze jest niezbędnym elementem umożliwiającym działanie systemu oraz pozwalającym na uruchamianie w nim aplikacji. Aby dowiedzieć się ile pamięci RAM jest zainstalowanej w komputerze należy z menu Start wybrać Ustawienia->Panel sterowania. W Panelu klikamy na System i otwieramy zakładkę Wydajność.

Otwiera się okno dialogowe przedstawiające stan zasobów komputera, pośród których jest informacja o ilości zainstalowanej pamięci RAM.
Jeżeli wyświetlana wielkość pamięci nie zgada się z fizyczną ilością pamięci PAM znajdującą się w komputerze, należy użyć programu diagnostycznego.

Sprawdzenie ilości dostępnych zasobów

Windows posiada ograniczenia ilościowe dostępnych zasobów - zasobów systemowych (system operacyjny, jądro systemu), zasobów użytkownika (zasoby sieciowe, system plików) oraz zasobów, GDI (zasoby interfejsu graficznego). Gdy ilość zasobów jest niewielka, niektóre aplikacje mogą pracować wolniej albo nie można ich wcale uruchomić. Dzięki narzędziu Miernik zasobów można stale kontrolować ilość wolnych zasobów w systemie.

Kontrola poziomu zużycia pamięci

Od stanu zajęcia pamięci zależy wydajność wielu programów. Aby wydajność systemu była możliwie jak największa, może okazać się, że niezbędna jest odpowiednia konfiguracja niektórych aplikacji oraz ustawień systemowych. Najpierw powinniśmy się dowiedzieć jak wygląda fizyczne obciążenie pamięci w komputerze.
Z menu Start wybieramy Programy ->Akcesoria->Narzędzia Systemowe->Monitor systemu. Pojawia się okno dialogowe aplikacji. Z menu Edycja wybieramy opcję Dodaj element albo klikamy na przycisku Dodaj, znajdującym się na pasku narzędzi okna. W lewej części wyświetlonego okna dialogowego zaznaczamy pozycję Menedżer pamięci a następnie trzymając naciśnięty klawisz Shift zaznaczamy wszystkie opcje w prawej część okna i klikamy na OK.

W głównym oknie Monitora systemu pojawią się nowe wykresy przedstawiające zużycie pamięci w komputerze.
Obserwując przebiegi zużycia pamięci po uruchamianiu i zamykaniu aplikacji, możemy zauważyć, w jakim stopniu jest wykorzystywana oraz sposób jej alokacji. Możemy także określić, czy pamięć podręczna systemu jest wykorzystywana optymalnie.

Kontrola zużycia pamięci podręcznej dysku

Pamięć podręczna dysku (cache) jest obszarem pamięci, od której zależy czas dostępu do plików. Może, zatem wpływać na podniesienie wydajności aplikacji, jak również być przyczyną ich nieprawidłowej pracy. Aby sprawdzić, w jaki sposób cache jest wykorzystywany można skorzystać z narzędzia Monitor systemu, pracującego w podobny sposób do analogicznych narzędzi działających a systemie Unix.
Z menu Start wybieramy Programy ->Akcesoria->Narzędzia Systemowe->Monitor systemu. Pojawi się okno dialogowe aplikacji. Z menu Edycja wybieramy opcję Dodaj element albo klikamy na przycisku Dodaj, znajdującym się na pasku narzędzi okna. W lewej części okna zaznacz pozycję Pamięć podręczna dysku i trzymając wciśnięty klawisz Shift zaznacz wszystkie opcje w prawej części okna a potem naciśnij OK. W głównym oknie pojawią się wykresy przedstawiające bieżące zużycie podręcznej pamięci dysku.

Windows:
· automatycznie konfiguruje obsługę pamięci fizycznej
· może automatycznie skonfigurować pamięć wirtualną albo pozwolić nam na ręczną konfigurację
· posiada narzędzie Miernik zasobów, dzięki któremu można kontrolować zużycie zasobów systemu, użytkownika i GDI
· posiada narzędzie Monitor systemu, za pomocą, którego można obserwować bieżący stan zużycia pamięci, pamięci podręcznej dysku, systemu plików i jądra systemu
· udostępnia ikonę System, wyświetlającą informacje o pamięci fizycznej i wirtualnej komputera