Tyto stránky již nejsou udržovány. Obsah je postupně přesouván/aktualizován na adrese chytrosti.marrek.cz.

100/234

Elektro(tech)?nika→EPO:
→ OS Unix a Linux
→ Síťování v Linuxu
Programovací jazyky
Procesory
ALU
Základní desky
Paměti
Pevné disky
Optické disky
Souborové sytémy
Páskové jednotky
Grafické karty
Monitory
Tiskárny
Skenery
Plotery
Klávesnice
Polohovací zařízení
Síťové karty, modemy

Paměti počítače

Obsah:

  1. Základní parametry pamětí
  2. Dělení podle konstrukce a vlastností
  3. Vnitřní struktura pamětí
  4. Hierarchická struktura pamětí v PC

Základní parametry pamětí

Dělení podle konstrukce a vlastností

Vnitřní struktura pamětí

Obecná struktura

_

n-bitová binární adresa se zachycuje do adresového registru a dále se dekóduje do kódu 1 z N. To znamená, že pro jistou adresu se aktivizuje příslušný adresový vodič (každé adrese odpovídá 1 adresový vodič, objeví se na něm log. 1). Obsah vybraného adresového místa se objeví na sloupcových datových vodičích a po zesílení pomocí čtecích zesilovačů se zapíše do výstupního datového registru.

Při zápisu hodnoty do paměti je opět nejdříve nutné uvést adresu paměťového místa, do kterého se bude zapisovat. Dekodér vybere příslušný adresový vodič a nastaví na něj hodnotu logická 1. Dále se nastaví hodnoty bitů b1 až b4 na hodnoty, které se budou do paměti ukládat. Tyto hodnoty jsou potom uloženy do paměťových buněk na řádku odpovídajícím vybranému adresovému vodiči.

Ve funkci paměťových prvků pamětí ROM i RAM se v historii počítačů vystřídaly všechny základní pasivní i aktivní elektrické prvky. Byly tak použity rezistory, indukčnosti, transformátory, feritová jádra, kapacitory, diody, tranzistory bipolární i unipolární.

Paměti ROM (Read Only Memory)

Paměti ROM jsou určeny pouze pro čtení informací. Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě a potom již není možné žádným způsobem jejich obsah změnit. Jedná se tedy o statickou, energeticky nezávislou paměť určenou pouze ke čtení.

Paměťová buňka paměti ROM může být realizována jako dvojice nespojených vodičů a vodičů propojených přes polovodičovou diodu.

_

V prvním případě nemůže žádným způsobem hodnota logická jedna přejít z adresového vodiče na vodič datový. Jedná se tedy o buňku, ve které je permanentně uložena hodnota 0. V případě druhém hodnota logická 1 přejde z adresového vodiče přes polovodičovou diodu na vodič datový. Toto zapojení představuje tedy paměťovou buňku s hodnotou 1. Dioda je zapojena tak, aby hodnota logická 1 mohla přejít z adresového vodiče na datový, ale nikoliv v opačném směru, což by vedlo k jejímu šíření po velké části paměti.

Jednotlivé buňky paměti ROM je také možné realizovat pomocí tranzistorů, a to jak v technologii TTL, tak v technologiích MOS.

Realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru v technologii TTL.

_

V tomto případě je na datový vodič neustále přiváděna hodnota logická 1. Pokud dojde k vybrání adresového vodiče a tím k umístění hodnoty logická jedna na tento vodič, tak v případě, že je tranzistor T spojen s tímto adresovým vodičem, dojde k jeho otevření a tím k propojení datového vodiče se zemí. Na takto propojeném datové vodiči se potom objeví hodnota logická 0 a tato buňka představuje uložení hodnoty bitu 0. U buněk, jejichž tranzistor není spojen s adresovým vodičem, nemůže nikdy dojít k otevření tohoto tranzistoru a tím ani ke spojení datového vodiče se zemí. V této buňce je tedy neustále uložena hodnota 1.

Zcela analogicky pracuje i buňka paměti ROM zapojená pomocí tranzistorů v některé z technologií MOS.

_

Tranzistory připojené k napájecímu vodiči plní pouze úlohu rezistorů podobně jako u buňky v předešlém případě. Samotná buňka pracuje na stejném principu, který byl popsán u buňky v technologii TTL.

PROM (Programable Read Only Memory)

Paměť PROM neobsahuje po vyrobení žádnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby provedl příslušný zápis informace. Tento zápis je možné provést pouze jednou a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM. Paměti PROM představují statické a energeticky nezávislé paměti.

Buňku paměti je možné realizovat podobně jako u paměti ROM. Při výrobě je vyrobena matice obsahující spojené adresové vodiče s datovými vodiči přes polovodičovou diodu a tavnou pojistku z niklu a chromu (NiCr). Takto vyrobená paměť obsahuje na začátku samé hodnoty 1.

_

Paměti EPROM (Eraseable Programable Read Only Memory)

Paměť EPROM je statická energeticky nezávislá paměť, do které může uživatel provést zápis. Zapsané informace je možné vymazat působením ultrafialového záření. Tyto paměti jsou realizovány pomocí speciálních unipolárních tranzistorů, které jsou schopny na svém přechodu udržet elektrický náboj po dobu až několika let. Tento náboj lze vymazat právě působením UV záření. Paměti EPROM jsou charakteristické malým okénkem v pouzdře integrovaného obvodu obsahujícího tuto paměť. Pod okénkem je umístěn vlastní paměťový čip a to je místo, na které směřuje při vymazávání zdroj UV záření. Při práci bývá tento otvor většinou přelepen ochranným štítkem, aby nedocházelo ke ztrátám informace vlivem UV záření v ovzduší.

Zapojení jedné buňky paměti EPROM je podobné jako u paměti EEPROM (viz dále).

_

Paměti EEPROM (Electrically Eraseable Programable Read Only Memory)

Tento typ paměti má podobné chování jako paměti EPROM, tj. jedná se o statickou energeticky nezávislou paměť, kterou je možné naprogramovat a později z ní informace vymazat. Výhodou oproti EPROM pamětem je, že vymazání se provádí elektricky a nikoliv pomocí UV záření, čímž odpadá nepohodlná manipulace s pamětí při jejím mazání.

Při výrobě pamětí EEPROM se používá speciálních tranzistorů vyrobených technologií MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor). Jedná se o tranzistory, na jejichž řídící elektrodě je nanesena vrstva nitridu křemíku ($Si_3N_4$) a pod ní je umístěna tenká vrstva oxidu křemičitého ($SiO_2$). Vlastní buňka paměti EEPROM pak pracuje na principu tunelování (vkládání) elektrického náboje na přechod těchto dvou vrstev.

_

Při zápisu dat se přivede na příslušný adresový vodič záporné napětí -U a datový vodič buněk, do nichž se má zaznamenat hodnota 1, se uzemní. Tranzistor se otevře a vznikne v něm náboj, který vytvoří velké prahové napětí. Při čtení se přivede na adresový vodič záporný impuls. Tranzistor s malým prahovým napětím se otevře a vede elektrický proud do datového vodiče, zatímco tranzistor s velkým prahovým napětím zůstane uzavřen.

Vymazání paměti se provádí kladným napětím +U, které se přivede na adresové vodiče. Tunelovaný náboj se tím zmenší a prahové napětí poklesne, čímž je paměť vymazána.

Flash paměť

Flash paměť je elektricky programovatelná paměť s libovolným přístupem. Paměť je vnitřně organizována po blocích a na rozdíl od pamětí typu EEPROM, lze programovat každý blok samostatně (obsah ostatních bloků je zachován).

Paměť se používá jako paměť typu ROM např. pro uložení firmware (např. ve vestavěných zařízeních). Výhodou této paměti je, že ji lze znovu naprogramovat (např. přeprogramování novější verzí firmware) bez vyjmutí ze zařízení s použitím minima pomocných obvodů.

_

Jedno hradlo je ovládací (CG - control gate), druhé je plovoucí (FG - floating gate), izolované od okolí vrstvou oxidu. Protože je FG izolované, všechny elektrony na něj přivedené jsou zde „uvězněny“. Tím je uložena informace.

Když jsou na FG elektrony, modifikují (částečně ruší) elektrické pole přicházející z CG, což modifikuje prahové napětí (Ut) buňky. Buňka je čtená umístěním určitého elektrického napětí na CG, elektrický proud tranzistorem pak buď teče, nebo neteče, a to v závislosti na Ut buňky, které je závislé na počtu elektronů na FG. Tato přítomnost nebo nepřítomnost elektrického proudu je přeložena na 1 a 0, představující uložená data.

Flash buňka je naprogramovaná (nastavená na specifickou hodnotu) spuštěním toku elektronů ze zdroje do odvodu. Přivedení velkého napětí na CG pak poskytne dostatečně silné elektrické pole pro jejich vysátí na FG. Pro vymazání flash buňky je velký napěťový rozdíl přiveden mezi CG a zdroj, což odvede elektrony pryč skrz kvantový tunel. Současné flash paměti jsou rozdělené do vymazatelných částí nazývaných buď bloky, nebo sektory. Všechny paměťové buňky v rámci jednoho bloku musí být vymazány současně.

Paměti SRAM (Static Random Access Memory)

Paměti SRAM uchovávají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. Paměťová buňka SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod, tj. obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda v paměti je uložena 1 nebo 0.

_

_

U SRAM pamětí se používá dvou datových vodičů. Vodič $Data$ je určený k zápisu do paměti. Vodič označený jako $\overline{Data}$ se používá ke čtení. Hodnota na tomto vodiči je vždy opačná než hodnota uložená v paměti. Takže na konci je nutno ji ještě negovat. Při zápisu se na adresový vodič umístí hodnota logická 1. Tranzistory T1 a T2 se otevřou. Na vodič $Data$ se přivede zapisovaná hodnota (např. 1). Tranzistor T1 je otevřen, takže jednička na vodiči $Data$ otevře tranzistor T4 a tímto dojde k uzavření tranzistoru T3. Tento stav obvodu představuje uložení hodnoty 0 do paměti. Zcela analogicky tato buňka pracuje i při zápisu hodnoty 1. Rozdíl je pouze v tom, že tranzistor T4 zůstane uzavřen a to způsobí otevření tranzistoru T3.

Při čtení je opět na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, což opět způsobí otevření tranzistorů T1 a T2. Jestliže byla v paměti zapsána hodnota 1, je tranzistor T4 otevřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 0). Tuto hodnotu obdržíme na vodiči $\overline{Data}$. Opět zcela analogicky v případě uložené hodnoty 0, kdy tranzistor T4 je uzavřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 1).

Tranzistory T5 a T6 plní pouze funkcí rezistorů.

Paměti DRAM (Dynamic Random Access Memory)

V paměti DRAM je informace uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Tento náboj má však tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napájení. Aby nedošlo k tomutu vybití a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky provádět tzv. refersh, tj. oživování paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodů čipové sady.

_

Při zápisu se na adresový vodič přivede hodnota logická 1. Tím se tranzistor otevře. Na datovém vodiči je umístěna zapisovaná hodnota (např. 1). Tato hodnota projde přes otevřený tranzistor a nabije kondenzátor. V případě zápisu nuly dojde pouze k případnému vybití kondenzátoru (pokud byla dříve v paměti uložena hodnota 1).

Při čtení je na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která způsobí otevření tranzistoru T. Jestliže byl kondenzátor nabitý, zapsaná hodnota přejde na datový vodič. Tímto čtením však dojde k vybití kondenzátoru a zničení uložené informace. Jedná se tedy o buňku, která je destruktivní při čtení a přečtenou hodnotu je nutné opět do paměti zapsat.

Buňka paměti DRAM je velmi jednoduchá a dovoluje vysokou integraci a nízké výrobní náklady. Díky těmto vlastnostem je používána k výrobě operačních pamětí. Její nevýhodou je však vyšší přístupová doba (60 - 70 ns) způsobená nutností provádět refresh a časem potřebným k nabití a vybití kondenzátoru.

Hierarchická struktura pamětí v PC

Paměťový systém počítače má řadu protichůdných požadavků (velká kapacita, vysoká rychlost, nízká cena), které není možno realizovat jediným druhem pamětí.

_

_

Paměťová hierarchie se vyvinula optimalizací návrhu počítače na základě poměru cena/výkon. Organizace mnohaúrovňového paměťového systému zajišťuje, že častěji používané údaje se umísťují v paměti s menší vybavovací dobou. Tento princip snižuje vybavovací dobu celé paměti počítače.

Hierarchická struktura pamětí v PC je v současné době tvořena 6 úrovněmi:

    • procesorová paměť (registrová sada, zásobník)
    • rychlá vyrovnávací paměť (cache)
    • operační paměť
    • vyrovnávací paměť vnější paměti
    • vnější paměť (disk)
    • archivní paměť (páska, CD ROM)

Výkon je u pamětí udán parametry: kapacita, přístupová doba a přenosová rychlost. Mezi přístupovou dobou a cenou na bit (MB) je hyperbolická závislost.

Procesorové paměti

Procesorové paměti představují vnitřní paměť procesoru a používají se pro uchování informací nutných k řešení daného programu. Jsou to velmi rychlé paměti (cyklus paměti je 4 - 10 ns) s omezenou kapacitou (16 - 512 B), ve kterých se nejčastěji ukládají mezivýsledky jednotlivých operací, konstanty, bázové adresy, indexy, operandy a výsledky.

Rychlá vyrovnávací paměť

Rychlá vyrovnávací paměť umožňuje vyrovnání rychlosti přenosu údajů mezi procesorovou a hlavní pamětí. Její rychlost se pohybuje okolo 10 ns a kapacita mezi 4 kB – 4 MB. Označuje se jako paměť Cache.

V této paměti jsou uloženy kopie obsahu nejčastěji používaných buněk hlavní paměti. Při aktivaci paměti se zjišťuje, jestli se údaje nacházejí v Cache. Pokud tam jsou, čtou se bez přístupu k hlavní paměti. Při zápisu dat se nejprve zjišťuje, není-li hledaná adresa v Cache. Pokud je, zapíší se do ní příslušná data. Pokud není, vyřadí se z ní nepotřebná data do hlavní paměti a nová data se uloží do Cache. Tím dochází ke značnému zrychlení činnosti počítače.

Většina těchto pamětí je realizovaná jako statická paměť (SRAM) s asociativním výběrem, což umožňuje rychlé vyhledání údajů na kterémkoliv místě paměti.

Podle umístění se Cache rozdělují na:

_

Podle strategie vyřazování jednotlivých dat rozeznáváme tyto druhy Cache:

Hlavní paměť (RAM)

Základ paměťového systému tvoří hlavní paměť (HP); v ní uložený program prostřednictvím procesoru bezprostředně řídí činnost počítače. Kapacita HP se pohybuje v rozmezí 640 kB až řádově 4GB.

PC byla původně navržena pro "celý, neuvěřitelný" 1 MB hlavní paměti. Byla to prostě taková doba např. jistý pan Gates tehdy prohlásil, že osobní počítače do konce tisíciletí více paměti potřebovat nebudou. (Osobně jej podezřívám, že hned nato skoupil akcie výrobců pamětí a vymyslel Microsoft Office.) Tento jeden megabyte alias 1 024 kilobytů byl rozdělen do dvou částí. Z hlediska růstu číselné adresy tou dolní částí bylo 640 KB rezervovaných pro operační systém a aplikace. Její název byl base memory či conventional memory (překldá je dosti nasnadě). Zbývajících 384 KB bylo rezervováno pro funkce počítače, např. videopaměť grafických karet. A to je bohužel důvod, proč řada aplikací může začít hladově kvílet, přestože jste právě do svého počítače nacpali 256 MB RAM. Především dosovské programy a hry se pohybují ve světě dolních 640 KB, ze kterých svůj díl užírají i různé ovladače, jež přibývají s každým připojeným zařízením. Pomoci vám mohou různé utilility a pořádné operační systémy.

Její doba cyklu se pohybuje řádově v 10 - 100 ns. Je konstruována jako dynamická polovodičová modulová paměť RAM. Modulová paměť má následující výhody:

Paměťový prostor je používán více zařízeními (procesor, V/V zařízení, venkovní paměť), s kterými při realizaci programu komunikuje. Z tohoto důvodu vystupuje do popředí problém přidělování paměti různým zařízením. U paměti s vícekanálovým přístupem jsou požadavky vyřizovány v takovém pořadí, v jakém jsou generovány. Při konfliktní situaci jsou upřednostněny požadavky, které mají vyšší prioritu. Řízení dvoukanálové paměti umožňuje vykonávání dvou současných přístupů do paměti.

Pro rozšíření kapacity HP pomocí přídavné paměti se vytváří fiktivní adresový prostor, jehož adresace není závislá na fyzické charakteristice paměti. Tento prostor se nazývá virtuální paměť. Její princip spočívá ve fiktivní (virtuální) koncepci jednoúrovňové paměti. Toho se dosahuje technickými prostředky, které umožňují převod virtuálních adres na adresy fyzické.V nich jsou uložena virtuální data, K jejichž převodu do hlavní paměti dojde v případě, že se v ní příslušná data nenacházejí. Virtuální adresa je logická adresa, na kterou se program odvolává. Fyzická adresa je konkrétní adresa příslušné paměťové buňky. Motivace pro výstavbu virtuální paměti je dvojí:

Původně byla hlavní paměť (DRAM) integrována přímo na motherboard v sadách po devíti čipech. Tyto sady byly většinou čtyři, což dohromady dává magické číslo 36 čipů, s výslednou kapacitou závisející na jejich velikosti. Zmíněné čipy označované jako DIP (Dual In-line Package) se nakonec přesunuly na samostatné destičky, které se v rámci paměťových slotů snadno vyměňují.

SIP (Single In-line Package) a SIMM (Single In-line Memory Module). SIPy měly na spodní části hřebenovité kontakty, které se nesmírně rády ulamovaly.

Tradiční SIMMy jsou s nástupem modernějších paměťových technologií nahrazovány právě moduly 'DIMM' (Dual In-line Memory Module), jež jsou jen logickým prokračováním růstu počtu pinů a bitů. DIMMy jsou 64bitové a používají 168pinový konektor. Výhody proti SIMMům jsou spíše instalační a prostorové. Současné procesory jsou ovšem tak rychlé, že některé počítače opět využívají dvojic DIMMů a paměťový subsystém se potom může chovat jako 128bitový.

Jednotlivé SIMMy či DIMMy mohou být označovány jako EDO, SDRAM, apod. To už mluvíme o vlastní architektuře čipů, která samozřejmě definuje způsob práce s daty, a tedy i výkon daného typu paměti. Nemá to přitom nic společného s přístupovou dobou, jež může být pro SIMMy i EDO SIMMy 60 ns, a stejně bude druhý případ o cca 15 % rychlejší. Rozdíl je v tom, jak se zpracovávají sousedící data uložená v paměti, což je samozřejmě nejtypičtější scénář práce procesoru s pamětí tj. postupné čtení sousedících bytů (nebo jejich dvojic a čtveřic).

EDO RAM (Extended Data Out) - Ta vznikla urychlením paměti DRAM. Je rychlejší než obyčejná RAM. Známe je z tzv. SIMM modulů (pamětí) a je dnes zřejmě nejběžnější (prakticky totožné s pojmem nejlevnější) a podporují ji všechny současné čipsety. V nabídce jsou verze 70, 60, 50 ns, přičemž ovšem ta první v řadě případů stačit nebude. Slabinou EDO jsou problémy s mateřskými deskami pracujícími nad 66 MHz. Počet nezbytných hodinových cyklů na načtení dat také není žádný zázrak (pro zvědavé je to 5-2-2-2). Teoreticky můžeme EDO RAM použít i ve starších počítačích, jen prostě nepoběží rychleji.

Synchronous DRAM (SDRAM) je typ dynamické paměti RAM, který je ještě o dalších 20 % rychlejší než EDO RAM takže je postupně vytlačily. Tyto paměti začaly na taktu 66 MHz, jsou označovány jako paměti PC66. Dnes jsou na trhu ještě paměti PC100 (100 MHz) a PC133 (133 MHz). SDRAM používá principu podobného diskovým polím prokládá paměťová pole tak, že zatímco s jedním se pracuje (je z něj čteno), druhé se připravuje na následující přístup.

SDRAM-II je potom rychlejší varianta téhož. Je také označována jako DDR DRAM nebo DDR SDRAM (Double Data Rate DRAM nebo SDRAM) a měla by umožňovat čtení a zápis dat dvojnásobkem rychlosti základní desky. Dokáže pracovat s oběma hranami taktu, proto to vypadá, že DDR paměť pracuje s dvojnásobným taktem. DDR2 a DDR3 jsou modifikace pamětí DDR s jinými napájecími napětími a pracovními frekvencemi.

Rambus DRAM (RDRAM, RIMM) je typ technologické dynamické paměti firmy Rambus, která zajišťuje velmi vysoké přenosové rychlosti (až jednotky GB/s), což může být až 10krát rychleji než u konvenční DRAM. Integruje v sobě DRAM paměťové bloky, řadič paměti a vysokorychlostní RDRAM sběrnici. Vyžaduje upravené motherboardy, ovšem ty potom nepotřebují drahé vyrovnávací paměti L2. Tento typ paměti má extrémně vysoký takt a tudíž i rychlost. Na vývoji se podílí i firma Intel na základě licence zakoupené od firmy Rambus.

Přenosové rychlosti dnešních pamětí???

Vyrovnávací paměť vnější paměti (disková cache)

Má podobnou funkci jako rychlá vyrovnávací paměť, jen vyrovnává rychlost přenosu dat mezi operační a vnější pamětí. Pro tuto paměť se často používá část hlavní paměti a býva proto označována jako softwarová cache. Realizuje ji speciální komponenta operačního systému (SmartDrive v systému DOS).

Mezi vnější vyrovnávací paměti také řadíme hardwarové cache paměti, které bývají v současnosti již běžnou součástí pevných disků a vypalovaček CD, DVD.

Vnější a archivní paměť

Slouží k ukládání a zálohování dat a k jejich archivaci. Jedná se o pomalé paměti (přístupová doba 10-50 ms) s velkou kapacitou (stovky MB - stovky GB (HDD 3GB)). Používá se většinou magnetické nebo optické médium

| navigace |

Licence Creative Commons Valid XHTML 1.0 Strict Valid CSS! Antispam.er.cz Blog: Tlapicka.net