Основные принципы работы электронной памяти
Прежде чем
говорить о конкретных типах современных микросхем памяти, надо немного вспомнить
прошлое и разобраться в основных принципах работы электронной памяти и особенностях
ее адресации.
Компьютеры,
в отличие от людей, которые пользуются десятичной системой счисления, используют
двоичную арифметику, т. е. в любом разряде машинного числа может находиться
либо "0" — нет, либо "1" — да. Соответственно, и каждая
ячейка электронной памяти компьютера должна запоминать одно из двух значений
— 0 или 1. Самое простое запоминающее устройство — это набор тумблеров или реле,
которые замыкают или размыкают электрическую цепь. Если вспомнить, то старинные
вычислительные машины как раз использовали для оперативной памяти реле, а в
качестве ПЗУ применялись обычные тумблеры (и это не удивительно, т. к. даже
мини-ЭВМ 80-х годов прошлого века имели панель с набором тумблеров для ввода
команд).
Развитие полупроводниковых
технологий привело к тому, что для электронной памяти персонального компьютера
в большинстве случаев используются кремниевые интегральные микросхемы. А минимальная
ячейка памяти в микросхеме — это триггер, который в самом простейшем
случае собирается на двух транзисторах. Но поскольку для управления триггером
требуются цепи управления, то элементарная запоминающая ячейка современной статической
памяти, которая применяется, в частности, для кэш-памяти, содержит иногда до
десятка транзисторов. Для примера на рис. 3.5 показана схема ячейки памяти КМОП-микросхемы.
В ней из шести КМОП-транзисторов только транзисторы V3 и V5 отвечают за хранение
информации, а остальные используются по другому назначению.
Так как в
современном компьютере применяются микросхемы, содержащие сотни тысяч ячеек,
то для упрощения управления запоминающие ячейки группируются в квадратные матрицы.
Для обращения к конкретной ячейке памяти используется адрес, формируемый из
номера строки и столбца (рис. 3.6). Как только на шинах столбцов и строк будет
установлен правильный адрес нужной ячейки, на выходе матрицы появится напряжение,
соответствующее информации, записанной в ячейку памяти. Заметим, что такой принцип
адресации используется и для чтения или записи байта в оперативной памяти, но
при этом за каждый разряд байта или слова отвечает своя запоминающая матрица,
которая, чаще всего, находится в отдельной микросхеме.
Для записи
информации в конкретную ячейку микросхемы предназначен всего один вывод. Когда
на шине адреса установится нужный адрес ячейки памяти, то, хотя сигнал записи
будет подан на все ячейки, запись произойдет только в ту ячейку, которая будет
в данный момент выбрана (адресована).
Принцип записи
и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице хорошо иллюстрируется на примере
ферритовой памяти (рис. 3.7). На заре компьютерной эры она представляла собой
небольшие ферритовые колечки, находящиеся в узелках проволочной сетки. Чтобы
сформировать сигнал чтения и записи, через все колечки продевался отдельный
провод. Заметим, что для записи "1" и "0" использовалось
свойство ферромагнетиков перемагничи-ваться под действием электрического тока.
Самые маленькие ферритовые колечки были диаметром всего около 1 мм. С появлением
полупроводниковых микросхем памяти о ферритовой памяти надолго забыли, но совсем
недавно появились микросхемы FeRAM, в которых сочетается кремниевая технология
производства микросхем и свойство ферромагнитных материалов изменять свое сопротивление
в зависимости от приложенного магнитного поля.
Процессоры имеют шину данных, кратную 8 разрядам, например,
8, 16, 32 или 64. В старых персональных компьютерах электронная память собиралась
из микросхем, имеющих, например 64, 128, 256 и т. д. ячеек. На системных платах
персональных компьютеров IBM PC можно было увидеть ряды микросхем памяти, занимающих
там слишком много места. Чтобы уменьшить количество микросхем и упростить их
электрические соединения друг с другом, на одном кремниевом кристалле стали
создавать несколько отдельных матриц запоминающих ячеек. Наиболее
популярными оказались варианты, когда микросхема памяти имеет разрядность равную
4 и 8, что позволило уменьшить количество корпусов на плате.
В документации
и прайс-листах на микросхемы памяти всегда указывается не только общий ее объем,
но и как организованы ячейки памяти. Ниже приводятся строчки из прайс-листа
на микросхемы динамической памяти DDR и SDRAM, которые выпускаются в настоящее
время:
- DDR 256Mb, 32Мх8, 266MHz;
- DDR 128Mb, 1бМх8, 266MHz;
- SDRAM 256Mb, 32Mx8,
133MHz;
- SDRAM 128Mb, 16Mx8,
133MHz.
Заметьте, что в начале идет условное обозначения типа микросхемы, а в конце указывается максимальная тактовая частота шины, на которой они могут работать. Объем памяти в микросхеме указывается в двух вариантах: 256Mb — общее количество ячеек памяти в микросхеме; 32Мх8 — это обозначение показывает, что на каждый разряд приходится по 32 Мбайт (также используется термин "глубина адресного пространства", от англ, address depth). Если умножить 32 Мбайт на 8, то получается 256 Мбайт.
