Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Архитектура ЭВМ и систем

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Синхронные динамические ОЗУ

В синхронной памяти все процессы при выполнении операций записи и чтения данных согласованы во времени с тактовой частотой центрального процессора (или системной шины), т.е. память и центральный процессор работают синхронно без циклов ожидания. Информация передается в пакетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс.

Память типа SDRAM. Рассмотрим основные особенности синхронной динамической памяти SDRAM.

Состав и назначение сигналов. В состав сигналов синхронной памяти входят сигналы RAS#, CAS#, WE#, MA#, которые выполняют те же функции, что и в асинхронной динамической памяти. Помимо приведенных сигналов используются сигналы, свойственные только динамической памяти SDRAM. К ним относятся:

  • CLK (Clock) – тактовые импульсы синхронизации, действующие по положительному перепаду (0 → 1);
  • СКЕ (Clock Enable) – разрешение/запрещение синхронизации при СКЕ= 1/0. Отсутствие синхроимпульсов уменьшает энергопотребление памяти. Переход в режим с пониженным энергопотреблением осуществляется с помощью специальных команд при СКЕ= 0. Следует выделить три режима:

■ режим пониженного потребления (Power Down Mode), реализующийся командами NOP или INHBT. В этих режимах микросхема памяти не воспринимает управляющих команд. Длительность пребывания в них ограничена периодом регенерации;

■ режим приостановки синхронизации (Clock Suspend Mode), в котором отсутствует передача данных и не воспринимаются новые команды. В этот режим микросхема переходит во время выполнения команды чтения или записи при установке сигнала СКЕ=0;

■ режим саморегенерации, в который микросхема переходит по команде Self Refresh. В этом режиме периодически выполняются циклы регенерации по внутреннему таймеру при отключенной внешней синхронизации;

  • CS# (Chip Select) – выбор микросхемы. При CS# = 0 разрешается декодирование команд; при CS# = 1 декодирование команд запрещается, однако выполнение начатых команд продолжается;
  • BSO, BSl (Bank Select) или ВA0, ВA1 (Bank Address) – выбор банка, к которому адресуется команда;
  • • Д[0:12| (Address) – сигналы мультиплексированной шины адреса. В циклах Bank/Activate задают адрес строки. В циклах Read/Write сигналы линий Л[0:9] и А 1 задают адрес столбца, сигнал А10 = 1 включает режим автопредзаряда. В циклах Precharge сигнал A10=1 включает режим предзаряда всех банков независимо от значений сигналов 550, 551;
  • DQ (Data Input/Output) – двунаправленные линии ввода-вывода данных;
  • DQM (Data Mask) – маскирование данных. В цикле чтения при DQM= 1 шина данных через два такта переводится в высокоимпедансное состояние (отключается). В цикле записи при DQM – 1 запрещается запись текущих данных, при DQM = 0 разрешается запись без задержки.

Микросхемы SDRAM располагают двумя или более банками, а также счетчиками адреса столбцов. К достоинствам синхронного интерфейса SDRAM следует отнести то, что в сочетании с внутренней мультибанковой организацией он способен обеспечить высокую производительность памяти при частых обращениях.

В памяти SDRAM имеется возможность активизации строк в нескольких банках. Каждая строка активизируется своей командой ACT во время выполнения любой операции с другим банком. После активизации строки выбранного банка при записи и чтении строку можно закрывать не сразу, а после выполнения серии обращений к ее элементам. Для обращения к открытой строке требуемого банка используются команды чтения RD и записи WR, в которых указаны адрес столбца и номер банка. Можно так организовать процессы записи/чтения, что шина данных в каждом такте будет нести очередную порцию данных для серии обращений к разным областям памяти. Так как дтя обращений не требуются команды активизации, они будут выполняться быстрее. С помощью сигнала выборки микросхемы CS# можно держать открытыми строки в банках разных микросхем, объединенных общей шиной памяти.

С помощью счетчика весьма просто реализуется пакетный режим работы. При инициализации могут быть запрограммированы длина пакета (1, 2, 4, 8 элементов), порядок адресов в пакете (чередующийся или линейный) и операционный режим (пакетный режим для всех операций или только для чтения). С помощью сигнала DQM = 1 в режиме записи осуществляется блокирование записи любого элемента пакета, а в режиме чтения – перевод в высокоимпедансное состояние буфера данных.

Благодаря исключению циклов ожидания, чередованию адресов, пакетному режиму, трехступенчатой конвейерной адресации удалось сократить время рабочего цикла микросхемы до 8...10 нс (1: 10 нс = 100 МГц) и повысить скорость передачи данных до 800 Мбайт/с при тактовой частоте системной шины 100 МГц.

Память типа DDR SDRAM (Dual Data Rate – удвоенная скорость данных). Основная особенность памяти DDR по отношению к обычной SDRAM состоит в том, что переключение данных производится по фронту и срезу тактовых импульсов системной шины. Это дает возможность выполнить два обращения за тактовый интервал и повысить быстродействие в два раза. При передаче данных по фронту и срезу импульсов синхронизации к временным параметрам управляющих сигналов и данных предъявляются повышенные требования. Для их удовлетворения приняты следующие меры: введен стробирующий сигнал DQS; используются два синхроимпульса CLK1 и CLK2, а также дополнительные аппаратные средства. В отличие от обычных микросхем SDRAM, у которых данные для записи передаются одновременно с командой, в DDR SDRAM данные для записи подаются с задержкой на один такт (Write Latency). Значение CAS Latency может быть дробным (CL = 2, 2,5, 3).

На частоте 100 МГц DDR SDRAM имеет пиковую производительность 200 Мбит на один вывод (пин), что в составе 8-байтных модулей DIMM соответствует производительности 1600 Мбайт/с. На частоте 133 МГц производительность составляет 2100 Мбайт/с.

Память типа RDRAM. В 1992 г. американская фирма Rambus приступила к разработке нового типа памяти, которая получила название RDRAM (Rambus DRAM). Запоминающее ядро этой памяти построено на обычных КМОП-ячейках динамической памяти. Однако интерфейс памяти существенным образом отличался от традиционного синхронного интерфейса. Высокоскоростной интерфейс Rambus RDRAM обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 600 Мбайт/с через шину данных разрядностью 1 байт. Эффективная пропускная способность достигает величины 480 Мбайт/с, что в 10 раз превышает аналогичный показатель для устройств EDO DRAM. Время доступа к ряду ячеек памяти составляет менее 2 нс в расчете на байт, а время задержки (время доступа к первому байту массива данных) – 23 нс. При обмене большими массивами данных память Rambus является оптимальным вариантом в смысле отношения производительность/стоимость [6]. Дальнейшим развитием стал интерфейс Direct DRAM, или просто DDRAM, с 16-разрядной (18-разрядной для микросхем с битами контроля) шиной данных. Память RDRAM используется в высокопроизводительных персональных компьютерах с 1999 г. и поддерживается в наборах микросхем системной логики.

Структура подсистемы памяти RDRAM состоит из контроллера памяти, капала и собственно микросхем памяти (рис. 10.9).

Память RDRAM по отношению к другим типам памяти (FPM/EDO и SDRAM) имеет следующие отличительные особенности:

  • • является устройством с узким каналом передачи данных. Количество данных, передаваемых за один такт, составляет всего 16 бит, не считая двух дополнительных битов контроля по четности;
  • • благодаря небольшому числу (30) линий канала и специально принятым мерам по их расположению тактовая частота канала увеличена

Структура памяти Direct DRAM

Рис. 10.9. Структура памяти Direct DRAM

до 400 МГц, что обеспечивает производительность, равную 16x400x2/8 = 1600 Мбайт/с (с учетом передачи данных по фронту и срезу синхроимпульсов). Для повышения производительности можно использовать двух- и четырехканальные RDRAM, которые позволяют увеличить скорость передачи данных до 3,2 или 6,4 Мбайт/с соответственно. Двухканальная память РС800 RDRAM, используемая в настоящее время, является наиболее быстрым типом памяти (ненамного опережая РС2100 DDR SDRAM);

  • • передача адреса ячейки происходит по отдельным шинам: одна – для адреса строки, другая – для адреса столбца. Передача адресов осуществляется последовательными пакетами. В процессе работы RDRAM выполняется конвейерная выборка из памяти, причем адрес может передаваться одновременно с данными;
  • • для повышения производительности было предложено еще одно конструктивное решение: передача управляющей информации отделена от передачи данных по шине. Для этого предусмотрены независимые схемы управления и выделены две группы шин: адресные шины для команд выбора строки и столбца и информационная шина для передачи данных шириной 2 байта;
  • • потребляет мало энергии. Напряжение питания модулей памяти R1MM, как и устройств RDRAM, достигает только 2,5 В. Напряжение низковольтного сигнала изменяется от 1,0 до 1,8 В, т.е. перепад напряжений равен 0,8 В. Кроме того, RDRAM имеет четыре режима пониженного потребления энергии и может автоматически переходить в режим ожидания на завершающей стадии транзакции, что позволяет еще больше экономить потребляемую мощность.

Память с виртуальными каналами – VC SDRAM. Назначение памяти. В современном компьютере доступ к оперативной памяти осуществляется различными устройствами. Одни из устройств (программы, которые выполняются параллельно в многозадачной операционной системе) бронируют для себя определенные области памяти. Такие устройства, как процессор, IDE- и SCSI-контроллеры, звуковые карты и видеокарты AGP и другие, обращаются к оперативной памяти напрямую. При одновременном обращении к памяти нескольких устройств происходит задержка их обслуживания. Для устранения этого недостатка была разработана специальная архитектура модуля памяти, включающая в себя 16 независимых каналов памяти. Каждому устройству (программе) для обращения к памяти выделен отдельный канал.

Архитектура памяти. Особенность архитектуры памяти с виртуальными каналами (Virtual Channel Memory Architecture) состоит в том, что между массивом запоминающих ячеек и внешним интерфейсом микросхемы памяти размещено 16 канальных буферов (рис. 10.10). В виртуальные каналы могут объединяться несколько буферов. По составу и уровням сигналов микросхемы VC SDRAM (Virtual Channel SDRAM) аналогичны обычным SDRAM (имеют внешнюю организацию по 4, 8 или 16 бит данных), однако отличаются структурой, системой команд и рядом других показателей. Микросхема содержит два банка (А и В), выполненных в виде квадратной матрицы. Каждая строка матрицы разбивается на 4 сегмента. Для микросхемы емкостью 128 Мбит размер матрицы составляет 8К х 8К, строка имеет объем 8К бит, а сегмент – 2К бит. Емкость канального буфера также составляет 2К бит. За одно обращение к матрице выполняется параллельная передача 2К бит данных между одним из буферов и сегментом выбранной строки. Микросхемы устанавливаются в 168-контактный модуль DIMM.

Организация обмена. Операции обмена данными разделяются на две фазы:

внешний обмен данными между источником информации и канальным буфером. Эта фаза обмена осуществляется через контроллер памяти (на рис. 10.10 не показан) и выполняется по командам чтения и записи (READ и WRITE), в которых указывается номер канала и адрес столбца. Обмен происходит в пакетном режиме. Длина пакета программируется и может составлять 1, 2, 4, 8 или 16 передач (элементов). Первые данные при чтении канала появляются с задержкой в 2 такта относительно команды чтения, следующие идут в каждом такте;

Структура памяти VCM

Рис. 10.10. Структура памяти VCM

внутренний обмен данными между каналами и массивом запоминающих ячеек. Обмен протекает в такой последовательности:

■ с помощью команд предвыборки PRFA и сохранения RSTA, поступающих сразу после обращения к массиву памяти, автоматически осуществляется деактивизация строк (предварительный заряд). Для деактивизации выбранного банка и обоих банков сразу можно использовать специальные команды;

■ по команде ACT, которая задает банк (А или В) и адрес строки, активизируется требуемая строка матрицы;

■ командами PRF (Prefetch) и RST (Restore) реализуется чтение массива в буфер и сохранение данных буфера в массиве. В командах указывается номер банка, номер сегмента и номер канала.

Обе фазы обмена выполняются по командам со стороны внешнего интерфейса почти независимо друг от друга. Список используемых команд приведен в табл. 10.1.

Регенерация VC DRAM выполняется периодической подачей команд REF (авторегенерация по внутреннему счетчику адреса регенерируемых строк) либо в энергосберегающем режиме саморегенерации, в который микросхемы переходят по команде SELF.

Многие современные Chipset поддерживают модули DIMM VCM SDRAM.

Следует отметить, что возможность использования того или иного типа памяти определяется чипсетом системной платы.

Таблица 10.1

Команда

Назначение

PRF – Prefetch

Чтение массива в буфер

RST – Restore

Сохранение буфера в массиве

ACT

Активизация требуемой строки матрицы (задается банк и адрес строки)

PRFA, RSTA

Предвыборка и сохранение (деактивизация выбранного банка или обоих банков)

READ. WRITE

Чтение, запись (указывается номер канала и адрес колонки)

REF

Авторегенерация по внутреннему счетчику адреса регенерируемых строк

SELF

Саморегенерации в энергосберегающем режиме

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>