Анатомия ram — как устроена оперативная память

Что такое оперативная память?

Физически модуль оперативной памяти воплощен в виде таких планок, которые вставляются в специальный разъем на материнской плате:

Так, в принципе, на первые два вопроса я ответил. Хотя нет, с этого определения обычному человеку мало что понятно. Разберем подробнее.

В компьютере есть несколько видов памяти: энергоНЕзависимая и энергозависимая или временная.

Энергонезависимая память представляет из себя любое устройство памяти, которое может хранить данные независимо от того подается на него питание или нет. В компьютере таковым является жесткий диск или SSD. Вы можете сохранить на нем файл, отключить компьютер от сети и при следующем включении все останется на месте.

Энергозависимая память — это компьютерная память, которой для хранения информации необходимо постоянное питание. Таковой памятью в компьютере и является оперативная. Это означает, что если перестать подавать на нее электропитание (выключить компьютер), вся хранящаяся в ней информация исчезнет. То бишь каждый раз, когда вы включаете компьютер, его оперативная память пуста.

Думаю, это понятно. Вторая часть определения отвечает на следующий вопрос.

Зачем нужна оперативная память?

Как мы уже знаем, обмен данными между процессором и памятью происходит чаще всего с участием кэш-памяти. В свою очередь, ею управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их, т.е. кэш-контроллер загружает в кэш-память нужные данные из оперативной памят­и, и возвращает, когда нужно, модифицирован­ные процессором данные в оперативку.

После процессора, оперативную память можно считать самым быстродействующим устройством. Поэтому основной обмен данными и происходит между этими двумя девайсами. Вся информация в персональном компьютере хранится на жестком диске. При включении компа в ОЗУ с винта записываются драйверы, специальные программы и элементы операционной системы. Затем туда записываются те программы – приложения, которые мы будем запускать, при закрытии последних они будут стерты из оной.

Данные, записанные в оперативной памяти, передаются в CPU (он же не раз упомянутый процессор, он же Central Processing Unit), там обрабатываются и записываются обратно. И так постоянно: дали команду процессору взять биты по таким-то адресам (как то: обработатьих и вернуть на место или записать на новое) – он так и сделал (смотрите изображение).

Что такое оперативная память и понятие оперативное запоминающее устройство

Оперативная память, так же, как и оперативное запоминающие устройство (ОЗУ) являются по смыслу определением примерно одного и того же, родственного, но всё же разница между ними есть, ведь оперативная память — это продукт модуля памяти или оперативного запоминающегося устройства.

Оперативная память, сама по себе, представляет область краткосрочного или по-другому временного хранения данных, как системных процессов операционной системы, так и процессов запущенного программного обеспечения компьютера, а вот модуль памяти (ОЗУ) – это уже устройство, конкретнее, плата с микросхемами. В простонародье частенько путают эти, казалось бы, отличающиеся термины.

Другие важные типы оперативной памяти

FPM DRAM

FPM DRAM

Режим Fast Page Mode Динамическое оперативное запоминающее устройство — это тип оперативной памяти, которая ожидает в течение всего процесса поиска битов данных по столбцам и строкам, а затем считывает бит, прежде чем он начнется в следующем бите. Максимальная скорость передачи составляет около 176 Мбит / с.

SDR RAM

SDR RAM

SDR RAM — это полная форма памяти с синхронным динамическим доступом. Время доступа составляет от 25 до 10 нс (наносекунда), и они находятся в модулях DIMM (двойной встроенный модуль памяти) по 168 контактов.

Они хранят данные, используя конденсаторы с использованием интегральных микросхем. На одной из его сторон есть окончания, которые могут быть вставлены в отдельные слоты для памяти материнской платы.

RD RAM

RD RAM

Динамическое оперативное запоминающее устройство Rambus является полной формой RDRAM. Этот тип микросхем ОЗУ работает параллельно, что позволяет достичь скорости передачи данных 800 МГц или 1600 Мбит / с. Он генерирует гораздо больше тепла, поскольку они работают на таких высоких скоростях.

VRAM (видео):

VRAM

Оперативная память, оптимизированная для видеоадаптеров, называется VRAM. Эти микросхемы имеют два порта, так что видеоданные могут быть записаны в микросхемы одновременно, видеоадаптер регулярно считывает память, чтобы обновить текущий дисплей монитора.

EDO RAM

EDO RAM

EDO DRAM — это аббревиатура с расширенной памятью произвольного доступа для вывода данных. Он не ожидает завершения обработки первого бита, прежде чем перейти к следующему. Как только адрес первого бита найден, EDO DRAM начинает поиск следующего бита.

Флэш-память :

Флэш-память

Флэш-память — это электрически стираемый и программируемый постоянный тип памяти. Для хранения битов используется однотранзисторная память. Он предлагает низкое энергопотребление и помогает снизить стоимость. Он в основном используется в цифровых камерах, MP3-плеерах и т. Д.

DDR SDRAM

DDR RAM

Полная форма DDR SDRAM — синхронная динамическая память с произвольным доступом с двойной скоростью передачи данных. Это как SDRAM. Единственное различие между ними состоит в том, что он имеет более высокую пропускную способность, что обеспечивает большую скорость. Это максимальная скорость передачи данных в кэш L2, которая составляет примерно 1064 Мбит / с.

Для чего нужна оперативная память в компьютере?

ОЗУ используется в качестве временного буфера и влияет на быстродействие ПК. Рассмотрим работу «оперативкb» более подробно. Информация попадает из жесткого диска в ОЗУ, а потом обрабатывается центральным процессором. Так происходит постоянно. Процесс обмена данных может происходить напрямую, но чаще участие в нем принимает кэш-память.

Кэш — это небольшой участок в специально отведенной для этого памяти, в котором хранится часто используемая информация. Это очень удобно, т.к. при запросе информации, она гораздо быстрее начинает обрабатываться процессором, что значительно ускоряет работу ПК.

Современные процессоры и HDD оснащены кэшем. Кэш последнего включается в проесс при использовании объемных данных («тяжелые» программы, архивы, звуковые и видео файлы)

Важно помнить, что данные, которые хранятся в ОЗУ во время работы с компьютером, удаляются сразу после его выключения

Немного теории

Аббревиатура ОЗУ расшифровывается как — оперативное запоминающее устройство. По сути, это оперативная память, которая в основном используется в ваших компьютерах. Принцип работы любого типа ОЗУ построен на хранении информации в специальных электронных ячейках. Каждая из ячеек имеет размер в 1 байт, то есть в ней можно хранить восемь бит информации. К каждой электронной ячейке прикрепляется специальный адрес. Этот адрес нужен для того, чтобы можно было обращаться к определенной электронной ячейке, считывать и записывать ее содержимое.

Также считывание и запись в электронную ячейку должна осуществляться в любой момент времени. В английском варианте ОЗУ — это RAM. Если мы расшифруем аббревиатуру RAM (Random Access Memory) — память произвольного доступа, то становится ясно, почему считывание и запись в ячейку осуществляется в любой момент времени.

Информация хранится и перезаписывается в электронных ячейках только тогда, когда ваш ПК работает, после его выключения вся информация, которая находится в ОЗУ, стирается. Совокупность электронных ячеек в современной оперативке может достигать объема от 1 ГБ до 32 ГБ. Типы ОЗУ, которые сейчас используются, носят название DRAM и SRAM.

• Первая, DRAM представляет собой динамическую оперативную память, которая состоит из конденсаторов и транзисторов. Хранение информации в DRAM обусловлено наличием или отсутствием заряда на конденсаторе (1 бит информации), который образуется на полупроводниковом кристалле. Для сохранения информации этот вид памяти требует регенерации. Поэтому это медленная и дешевая память.
• Вторая, SRAM представляет собой ОЗУ статического типа. Принцип доступа к ячейкам в SRAM основан на статическом триггере, который включает в себя несколько транзисторов. SRAM является дорогой памятью, поэтому используется, в основном, в микроконтроллерах и интегральных микросхемах, в которых объем памяти невелик. Это быстрая память, не требующая регенерации.

Виды и объем памяти

Плата на сегодняшний день может иметь объем в несколько десятков гигабайт. Современные технические средства позволяют использовать её максимально быстро. Большинство операционных систем оснащаются возможностью взаимодействовать с такими устройствами. Имеется пропорциональная зависимость между объемом ОЗУ и стоимостью. Чем больше её размер, тем более она дорогая. И наоборот.

Все современные ОЗУ можно разделить на две разновидности:

• статическую;
• динамическую.

Статический тип

Более дорогой на сегодняшний день является микросхема статическая. Маркируется она как SDRAM. Динамическая же является более дешевой.

Отличительными чертами SDRAM-разновидности являются:

• двоичные и троичные разряды сохраняются при положительной обратной связи;
• поддерживается постоянное состояние без осуществления регенерации.

Также отличительной особенностью RAM является наличие возможности осуществлять выбор того бита, в который будет осуществлена запись какой-либо информации.

К недостаткам можно отнести:

• малую плотность записи;
• относительно высокую стоимость.

Устройства оперативной памяти компьютера всевозможного вида (SDRAM и DRAM) имеют внешние отличия. Они заключаются в длине контактной части. Также имеет отличия её форма. Обозначение оперативной памяти находится как на этикетке-наклейке, так и пропечатано непосредственно на самой планке.

Сегодня существует множество различных модификаций SDRAM.

Обозначается она как:

• DDR 2;
• DDR 3;
• DDR 4.

Динамический тип

Ещё один вид микросхем обозначается как DRAM. Он является также полностью энергозависимым, доступ к битам записи осуществляется произвольным образом. Данная разновидность широко используется в большинстве современных ПК. Также она применяется в тех компьютерных системах, где высоки требования к задержкам – быстродействие DRAM на порядок выше SDRAM.

Чаще всего данная разновидность имеет форм-фактор типа DIMM. Такое же конструктивное решение используется и для изготовления статической схемы (SDRAM). Особенностью DIMM-исполнения является то, что контакты имеются с обеих сторон поверхности.

SDRAM

SDRAM (Synchronous DRAM) — вид памяти со случайным доступом, работающий на столько быстро, чтобы его можно было синхронизировать с частотой работы процессора, исключая режимы ожидания.

Микросхемы разделены на два блока ячеек так, чтобы во время обращения к биту в одном блоке шла подготовка к обращению к биту в другом блоке.

Если время обращения к первой порции информации составляло 60 нс, все последующие интервалы удалось сократить до 10 нс.Начиная с 1996 года большинство чипсетов Intel стали поддерживать этот вид модулей памяти, сделав его очень популярным вплоть до 2001 года.

SDRAM может работать на частоте 133 МГц, что почти в три раза быстрее, чем FPM и в два раза быстрее EDO.Большинство компьютеров с процессорами Pentium и Celeron, выпущенных в 1999 году использовали именно этот вид памяти.

Как работает процессор?

Нельзя говорить о памяти, не сказав пару слов о процессоре. Процессор и оперативной память довольно похожи, так как в обоих случаях используются логические устройства, которые могут принимать лишь два состояния. Однако процессор выполняет задачи, связанные с вычислениями. Для этого у него имеется устройство управления — именно на него поступают наши инструкции, арифметико-логическое устройство — оно отвечает за все арифметические операции (сложение, вычитание и так далее) и регистры.

Так как инструкции, поступающие на процессор, работают с данными из памяти, эти данные нужно где-то хранить. Брать их постоянно из оперативной памяти — слишком долго, поэтому в процессоре имеется своя память, представленная в виде нескольких регистров — она является самой быстрой памятью в компьютере.

Что такое регистр? Регистр в процессоре представлен в виде триггера, который может хранить 1 бит информации. Триггер — это один из множества логических элементов в микрочипах. Благодаря своей логике он способен хранить информацию. Вот так выглядит D-триггер:

Это D-триггер и он способен хранить информацию. Каждое простейшее логическое устройство, включая D-триггер, состоит из логических операций. На фото выше можно заметить знак «&» — это логическое И

Таблица истинности для логического «И»

Верхний переключатель «D» в D-триггере меняет значение бита, а нижний «C» включает или отключает его хранение. Вам наверняка интересно, как устроен этот «D-триггер». Подробнее работу триггеров вы можете изучить по видеоролику ниже:

Помимо D-триггера, существуют также RS-триггер, JK-триггер и другие. Этой теме посвящена не одна книга, можете изучить логические устройства микрочипов самостоятельно. Было бы неплохо углубиться еще и в тему квантовых процессоров, потому что очевидно, что будущее именно за ними.

Основная память компьютера

Основная память — это устройство
для хранения информации. Она состоит из
оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и
постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).Оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ)ОЗУ-быстрая, полупроводниковая,
энергозависимая память. В ОЗУ хранятся
исполняемая в данный момент программа и данные, с
которыми она непосредственно работает. Это
значит, что когда вы запускаете какую-либо
компьютерную программу, находящуюся на диске,
она копируется в оперативную память, после чего
процессор начинает выполнять команды,
изложенные в этой программе. Часть ОЗУ,
называемая «видеопамять», содержит данные,
соответствующие текущему изображению на экране.
При отключении питания содержимое ОЗУ стирается.

Быстродействие (скорость работы) компьютера
напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в
современных компьютерах может доходить до 128
Мбайт. В первых моделях компьютеров оперативная
память составляла не более 1 Мбайт. Современные
прикладные программы часто требуют для своего
выполнения не менее 4 Мбайт ОЗУ; в противном
случае они просто не запускаются.
ОЗУ — это память, используемая как для чтения, так
и для записи информации. При отключении
электропитания информация в ОЗУ исчезает
(энергозависимость).Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)ПЗУ — быстрая, энергонезависимая память.
ПЗУ — это память, предназначенная только для
чтения. Информация заносится в нее один раз
(обычно в заводских условиях) и сохраняется
постоянно (при включенном и выключенном
компьютере). В ПЗУ хранится информация,
присутствие которой постоянно необходимо в
компьютере.
В ПЗУ находятся:

• тестовые программы, проверяющие при каждом
  включении компьютера правильность работы его
  блоков;
• программы для управления основными
  периферийными устройствами -дисководом,
  монитором, клавиатурой;
• информация о том, где на диске расположена
  операционная система.

Основная память состоит из регистров. Регистр —
это устройство для временного запоминания
информации в оцифрованной (двоичной) форме.
Запоминающим элементом в регистре является
триггер — устройство, которое может находиться в
одном из двух состояний, одно из которых
соответствует запоминанию двоичного нуля,
другое — запоминанию двоичной единицы. Триггер
представляет собой крошечный
конденсатор-батарейку, которую можно заряжать
множество раз. Если такой конденсатор заряжен —
он как бы запомнил значение «1», если заряд
отсутствует — значение «0». Регистр содержит
несколько связанных друг с другом триггеров.
Число триггеров в регистре называется
разрядностью компьютера. Производительность
компьютера напрямую связана с разрядностью,
которая бывает равной 8, 16, 32, 64, 128.

Процессор и основная память находятся на
большой плате, которая называется материнской.
Для подключения к ней различных дополнительных
устройств (дисководов, манипуляторов типа мыши,
принтеров и т. д.) служат специальные платы —
контроллеры. Они вставляются в разъемы (слоты) на
материнской плате, а к их концу (порту),
выходящему наружу компьютера, подключается
дополнительное устройство.

Скорость битов

полосой пропускания (bandwidth)теоретическаяадрес строкипакетамиpre-chargingтаймингами памятизадержками

намногоДаже памяти нужна память. Красным указано ПЗУ (read-only memory, ROM), в котором содержится информация SPD.serial presence detectExtreme Memory Profile«Я могу работать с вот с такими нестандартными таймингами»

Оперативная память компьютера

Оперативная память (англ. RAM — Random Access Memory) — память с произвольным доступом — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.

Оперативная и кэш-память является энергозависимыми — данные хранятся в них временно — до выключения электропитания компьютера, причем для динамической памяти (в отличие от статической) требуется постоянное обновление (регенерация) данных.

Наиболее распространенным типом схем памяти являются DRAM (динамическая память). В этих воспоминаниях значение каждого бита хранится в крошечном конденсаторе. Эти конденсаторы разряжаются — и очень быстро, примерно через 1 мс — поэтому их содержимое может быть потеряно. Для предотвращения этого специальные цепи периодически перезаряжают конденсаторы. Название памяти, «динамическая», происходит от этого непрерывного процесса перезарядки.

Оперативная память современного компьютера разделена на несколько типов. Хотя в основе всех типов памяти лежит обычная ячейка памяти, представляющий собой комбинацию из транзистора и конденсатора, благодаря различным внешним интерфейсам и устройствам взаимодействия с компьютером модули памяти они все же отличаются друг от друга.

Это наиболее дешевый способ производства ячеек памяти. Состояние конденсатора определяет, содержит ячейка «0» или «1», но само наличие конденсатора является причиной некоторых ограничений динамической памяти.

Заряженный конденсатор эквивалентен логической «1», разряженный — логическому «0». Однако впоследствии конденсатор разряжается, и поэтому необходимо время от времени обновлять его заряд. Необходимый для этого ток очень мал, так что нужно немного времени, чтобы конденсатор небольшой емкости был заряжен снова. Но во время этого процесса к ячейке памяти обращаться нельзя. Производители динамической памяти говорят, что подобное восстановление должно проводиться каждые 64мс. Но самая большая проблема с оперативной памятью в том, что при операции считывания из ячейки конденсатор теряет свой заряд, то есть считывание деструктивное, и ячейка после считывания информации должна быть восстановлена.

Таким образом, каждый раз при считывании информации должна проводиться и его запись. В результате увеличивается время циклического доступа, и повышается латентность.

Латентность — это простой в работе или это время, затрачиваемое на считывание из памяти одного слова данных (восьми байт) (измеряется в циклах). Чем ниже латентность оперативной памяти, тем меньше центральный процессор будет находиться в состоянии простоя. Полная латентность состоит из программной и аппаратной составляющих.

В модулях статической памяти такая проблема отсутствует. Одна ячейка статической памяти состоит из 4 транзисторов и двух резисторов, и в ячейке SRAM сохраняют данные не путем емкостной зарядки (как в DRAM), а путем переключения транзисторов в нужное состояние, подобно транзисторам в CPU. В отличие от динамической памяти — статическая память не является деструктивной. Ячейка статической памяти (кэш памяти) состоит из 4-х транзисторов и 2-х резисторов.

Массовое распространение получили следующие виды оперативной памяти DDR (уже не пользуется большим спросом), DDR2, DDR3, DDR4.

Внешний вид модулей памяти DDR, DDR2, DDR3

В каждом модуле оперативной памяти содержится также специальная микросхема SPD. В этой микросхеме хранятся данные о модуле памяти: дата изготовления модуля, основные характеристики модуля и тому подобное.

Кэш память

Персональные компьютеры также имеют скрытую память. Фактически, из-за разницы в скорости процессоров и схем основной памяти, большинство персональных компьютеров имеют два разных типа кэша, известных как «Уровень 1» (уровень 1 или L1) и «Уровень 2». Уровень 2 или L2 кэш).

Кэш-память второго уровня

Память DDR

Память DDR отличается от предыдущих видов памяти одним важным нововведением: теперь данные (но не адреса) можно получать и передавать два раза за такт — по убыванию и нарастающем фронтах сигнала. Для памяти DDR общепринятыми являются несколько обозначений: например DDR-266 или РС-2100.

Обозначения имеют разные смыслы: первое указывает частоту, с которой передаются данные (в нашем случае 266 МГц, при этом модуль работает на частоте 133MГц), второе — теоретическую пропускную способность модуля памяти (2100MBps). Второе обозначение используется чаще из маркетинговых соображений.

Схема передачи данных в микросхеме памяти DDR-400 (а), DDR2-800 (б), DDR3-1600 (в): Memory Cell Array — массив ячеек памяти; I / OBuffers — буфер ввода вывода данных; Data Bus — шина данных

Классификация и виды SDRAM в современных компьютерах

Наиболее распространенным подвидом памяти DRAM является синхронная память SDRAM. Первым подтипом памяти SDRAM является DDR SDRAM. Модули оперативной памяти DDR SDRAM появились в конце 1990-х. В то время были популярны компьютеры на базе процессов Pentium. На изображении ниже показана планка формата DDR PC-3200 SODIMM на 512 мегабайт от фирмы GOODRAM.

Приставка SODIMM означает, что память предназначена для ноутбука. В 2003 году на смену DDR SDRAM пришла DDR2 SDRAM. Эта память использовалась в современных компьютерах того времени вплоть до 2010 года, пока ее не вытеснила память следующего поколения. На изображении ниже показана планка формата DDR2 PC2-6400 на 2 гигабайта от фирмы GOODRAM. Каждое поколение памяти демонстрирует все большую скорость обмена данными.

На смену формата DDR2 SDRAM в 2007 году пришел еще более быстрый DDR3 SDRAM. Этот формат по сегодняшний день остается самым популярным, хоть и в спину ему дышит новый формат. Формат DDR3 SDRAM сейчас применяется не только в современных компьютерах, но также в смартфонах, планшетных ПК и бюджетных видеокартах. Также память DDR3 SDRAM используется в игровой приставке Xbox One восьмого поколения от Microsoft. В этой приставке используется 8 гигабайт ОЗУ формата DDR3 SDRAM. На изображении ниже показана память формата DDR3 PC3-10600 на 4 гигабайта от фирмы GOODRAM.

В ближайшее время тип памяти DDR3 SDRAM заменит новый тип DDR4 SDRAM. После чего DDR3 SDRAM ждет судьба прошлых поколений. Массовый выпуск памяти DDR4 SDRAM начался во втором квартале 2014 года, и она уже используется на материнских платах с процессорным разъемом Socket 1151. На изображении ниже показана планка формата DDR4 PC4-17000 на 4 гигабайта от фирмы GOODRAM.

Пропускная способность DDR4 SDRAM может достигать 25 600 Мб/c.

Для чего нужна оперативная память?

Справедливым будет вопрос: зачем в компьютере кроме жесткого диска, на котором данные сохраняются независимо от того подается на него питание или нет, нужна еще дополнительная, столь ненадежная вещь как оперативная память?

Дело в том, что в сравнении со скоростью работы центрального процессора, скорость чтения и записи на жесткий диск очень маленькая. Если бы процессор напрямую работал с ним, производительность компьютера была бы очень низкой.

Оперативная память, по сравнению с жестким диском работает намного быстрее. Если не учитывать различные кэши, ОЗУ будет самым быстрым элементом в устройстве компьютера, после центрального процессора.

Таким образом, оперативная память нужна для увеличения производительности компьютера, за счет того, что дает возможность последнему быстрее получать необходимые данные.