PAMIĘĆ RAM

Katarzyna Baran

2010-05-31

PAMIĘĆ RAM

Wiadomości ogólne

Pamięd RAM ( ang. Random Access Memory – pamięd o swobodnym dostępie) jest to podstawowy
rodzaj pamięci cyfrowej. Jest ona stosowana głównie, jako pamięd operacyjna komputera. Jednak jej
nazwa  może  byd  trochę  myląca,  gdyż  ze  względów  historycznych  oznacza  ona  tylko  te  rodzaje
pamięci, w których możliwy jest wielokrotny zapis, a wyklucza pamięci ROM(ang. Read Only Memory
– pamięd tylko do odczytu). Pełni ona rolę tymczasowego miejsca przechowywania danych aktualnie
przetwarzanych przez program oraz ciągu rozkazów, z których składa się ten program. Tymczasowy
charakter nośnika, jakim jest pamięd, wynika stąd, że zawartośd większości pamięci RAM jest tracona
zaraz  po  odłączeniu  zasilania.    Pojęcie  pamięci  RAM  może  odnosid  się  zarówno  do  fizycznych
układów,  z  jakich  zbudowana  jest  pamięd  systemowa  jak  i  do  logicznej  struktury  i  mapowania
pamięci.

Współczesna pamięd RAM jest realizowana sprzętowo w postaci układów scalonych (bądź
fragmentów bardziej złożonych układów scalonych) występujących w różnych technologiach oraz w
postaci różnych modułów znajdujących główne zastosowanie w komputerach.

Typy pamięci RAM

Pamięd RAM możemy podzielid na dwa podstawowe typy:



DRAM (ang. Dynamic Random Access Memory) – dynamiczna pamięd RAM;



SRAM (ang. Static Random Access Memory) – statyczna pamięd RAM;

DRAM

DRAM  pełni  rolę  pamięci  operacyjnej  w  większości  obecnie  dostępnych  komputerów.  Pamięd  ta
charakteryzuje się dynamicznym przechowywanie danych(dane zawarte w pamięci DRAM muszą byd
systematyczne  odświeżane).  Jest  to  zarazem  główny  problem  tego  typu  pamięci.  Komórki  pamięci
DRAM są wykonane z niewielkich kondensatorów, które w celu oznaczenia bitu przechowują ładunek
elektryczny.  Ładunek  zgromadzony  w  tych  kondensatorach  cały  czas  zanika,  dlatego  też  konieczne
jest  ciągłe  odświeżanie  pamięci.  Nawet  chwilowa  przerwa  w  zasilaniu  lub  dowolny  inny  czynnik
zakłócający cykle odświeżania może spowodowad zaniknięcie w komórkach pamięci DRAM ładunku,
co prowadzi do utraty danych. Jeśli taka sytuacja przydarzy się w trakcie pracy systemu, wtedy może
to  spowodowad  pojawienie  się  niebieskiego  ekranu,  ogólne  błędy  ochrony  pamięci,  uszkodzenie
plików i kilka innych objawów wskazujących na awarię.

Operacja  odświeżania  występuje  w  momencie,  gdy  systemowy  kontroler  pamięci  chwilowo  oddaje
kontrolę  i  udostępnia  wszystkie  wiersze  układów  pamięci  zawierające  dane(czyli  co  ok.  5  ms).
Operacja  ta  powoduje,  że  procesor  musi  przerwad  wykonywanie  innych  zadao.  Wynika  to  stąd,  że
każdy  cykl  odświeżania  zajmuje  kilka  cyklów  pracy  procesora.  Aktualnie  obciążenie  związane  z
odświeżaniem stanowi niewielką(ułamkową) częśd procenta całkowitego czasu pracy procesora.

Chociaż niektóre systemy dysponują możliwością zmiany parametru odświeżania, to jednak nie jest
to zalecane, gdyż wpływa to nie tylko na zwiększenie wydajności pracy komputera, ale może również

spowodowad, że w niektórych komórkach pamięci dojdzie do utraty ładunku, co spowoduje
pojawianie się błędów miękkich

. Dlatego też zalecane jest pozostawienie domyślnych parametrów

związanych z cyklem odświeżania.

Pamięd  DRAM  dla  każdego  bitu  stosuje  tylko  jedną  parę  złożoną  z  tranzystora  i  kondensatora,  co
powoduje, że w porównaniu z innymi typami pamięci, charakteryzuje się dużą gęstością pozwalającą
na  uzyskanie  większej  pojemności  dla  pojedynczego  układu.  Tranzystor  każdej  komórki  pamięci
DRAM  przechowującej  bit  dokonuje  odczytu  ładunku  przyległego  kondensatora.  Jeśli  kondensator
jest naładowany to komórka ma wartośd 1, w przeciwnym wypadku wartośd 0.

Odmiany pamięci DRAM

SDRAM(ang.  Synchronous  DRAM)  –  typ pamięci synchronizowany z magistralą pamięci.  Dostęp do
danych pamięci odbywa się przy użyciu wydajnego potoku, który korzysta z szybkiego taktowanego
interfejsu.  Dzięki  synchronizacji  z  częstotliwością  płyty  głównej,  uniknięto  większości  opóźnieo
charakterystycznych  dla  asynchronicznej  pamięci  DRAM.  Funkcjonalnie  SDRAM  przypomina  typową
DRAM,  jednak  znaczne  udoskonalenia  sprawiają,  ze  ten  rodzaj  pamięci  oferuje  bardzo  wysoką
wydajnośd.

DDR SDRAM stanowi rozwinięcie układu SDRAM. Charakteryzuje się dwukrotnie większą ilością
przesyłanych danych.

RDRAM(ang. Rambus DRAM) jest właściwie magistralą pamięci łączącą układy i wyposażoną w
specjalizowane urządzenia komunikujące się ze sobą z bardzo dużą szybkością. Są to układy o
niewielkiej szerokości, z tego powodu są w stanie jednocześnie przesład tylko 16 bitów (ewentualnie
poszerzonych o 2 bity parzystości), ale za to z dużą szybkością. Pamięd ta jest przykładem przejścia z
architektury równoległej na szeregową.

FPM –  DRAM(ang. Fast Page Mode DRAM)  jest jedną z odmian pamięci DRAM. Charakteryzuje się
znacznie  szybszym  dostępem  do  pamięci,  w  porównaniu  z  klasycznymi  modułami  DRAM.  Adres
strony  wybierany  jest  tylko  raz,  o  ile  interesujące  nas  komórki  pamięci  znajdują  się  w  ramach  tej
samej strony pamięci. Za każdym razem wybierane są jedynie kolumny, co rezultacie znacznie skraca
czas operacji na pamięci.

EDO – DRAM(ang. Extended Data Out DRAM) budową przypomina bardzo pamięd FPM – DRAM.
Jedyną różnicą, w przypadku pamięci EDO – DRAM, jest odczytywanie informacji, które pozostają na
magistrali również wtedy, gdy sygnał CAS nie jest już aktywny. Taki mechanizm buforowania
procesora może w trakcie odczytu danych generowad nowy adres.

Burst – EDO – DRAM cechuje się jeszcze większa prędkością niż to było w przypadku EDO – DRAM.
Bardzo szybki dostęp do pamięci możliwy jest jedynie dzięki temu, że Burst – EDO – DRAM może
wyręczad procesor w procesie adresowania adresów kolumn, zarówno w czasie zapisu, jaki i odczytu
danych.

Błąd miękki(ang. Soft error) należy do błędów danych niewywołanych fizycznym uszkodzeniem układu

pamięci.

SRAM

Pamięd  SRAM  charakteryzuje  się  o  wiele  krótszym  czasem  dostępu  niż  większośd  typów  układów
DRAM. Jest to pamięd statyczna, co oznacza, że nie wymaga okresowego odświeżania, jak to jest w
przypadku  pamięci  DRAM.  Dzięki  jej  architekturze  nie  tylko  uniknięto  odświeżania,  ale  również
uzyskano pamięd o wiele szybszą od modułów DRAM. Niestety układ SRAM ma mniejsza gęstośd niż
DRAM,  co  oznacza,  że  jej  moduły  są  większe  i  przechowują  mniejszą  ilośd  bitów.  Duża  liczba
tranzystorów i ich grupowanie wpływa na to, że w porównaniu z układami DRAM koszty wytwarzania
są znacznie wyższe.

Chociaż pamięd SRAM ze względu na wysoką cenę i ograniczenia związane z wielkością modułów nie
może  byd  użyta,  jako  pamięd  systemowa,  to jednak  projektanci znaleźli dla niej  inne  zastosowanie,
dzięki  czemu  uzyskano  znaczny  wzrost  wydajności  komputerów.  Opracowano  pamięd  podręczną
(ang.  Cache  memory)  SRAM,  która  charakteryzuje  się  niewielką  pojemnością,  krótkim  czasem
dostępu i znacznie korzystniejszą ceną.

Tego  typu  pamięd  pracuje  z  częstotliwością  bliską(lub  nawet  równą)  częstotliwości  procesora.  W
architekturze  systemowej  kontroler  pamięci  podręcznej  przewiduje  zapotrzebowanie  procesora  na
dane,  a  następnie  umieszcza  je  w  szybkiej  pamięci  cache.  Po  wykonaniu  operacji  odczytu  danych
zawartych w  pamięci podręcznej  pobierane  są kolejne  dane  z wolniejszej  pamięci operacyjnej. Jeśli
procesor  odwoła  się  do  określonego  adresu  pamięci,  wtedy  znajdujące  się  tam  dane  zamiast  z
pamięci operacyjnej zostaną pobrane z pamięci podręcznej.

Efektywnośd  pamięci  cache  wyraża  się  skutecznością  trafieo.  Współczynnik  ten  jest  stosunkiem
trafieo  danych  w  pamięci  podręcznej  do  całkowitej  liczby  operacji  odczytu  pamięci  RAM.
Trafienie(ang. hit) ma miejsce wtedy, gdy dane wymagane przez procesor zostały wcześniej pobrane
z  pamięci  RAM  i  umieszczone  w  pamięci  podręcznej,  dzięki  czemu  procesor  może  je  pobrad
bezpośrednio z niej. Chybienie(ang. Cache miss) zachodzi w momencie, gdy kontroler nie przewidział
określonego adresu pamięci, spod którego zostały pobrane dane i w efekcie nie umieścił ich wcześnie
w  pamięci  podręcznej.  Procesor  zmuszony  jest  wtedy  do  odczytania  danych  z  wolniejszej  pamięci
operacyjnej, co wiąże się z dłuższym czasem trwania operacji. Procesor musi zmniejszyd częstotliwośd
swojej  pracy,  operacja  ta  jest  realizowana  poprzez  wykonanie  dodatkowych  cykli  zwanych  cyklami
oczekiwania(ang.  Wait  states).  W  czasie  tych  cykli  poza  chłodzeniem  się  procesora  nie  jest
wykonywana żadna inna operacja.

W celu minimalizacji ilości operacji odczytu danych z pamięci operacyjnej wykonywanych przez
procesor zazwyczaj stosuje się dwa poziomy pamięci podręcznej Level1(L1) i Level2(L2).



L1(ang. Internal cache – pamięd wewnętrzna) jest bezpośrednio zintegrowana z procesorem i
stanowi częśd jego rdzenia, z tego powodu pracuje ona zawsze z częstotliwością rdzenia
procesora i jest najszybszą pamięcią w systemie;



L2(ang.

External

cache

–

pamięd

zewnętrzna)

została

umieszczona

poza

procesorem(początkowo oznaczało to, że znajdowała się na płycie głównej), we wszystkich
procesorach, które pojawiły się w sprzedaży po 1990 r. pamięd L2, podobnie jak pamięd L1
była integralną częścią rdzenia.

SDR(ang. Single Data Rate)

Jest to pamięd, w której dane są przesyłane tylko w czasie rosnącego zbocza sygnału zegarowego. W
pamięci tej na jeden takt przypada jeden transfer z komórki do bufora I/O o pełnej szerokości szyny
danych.

DDR(ang. Double Data Rate)

Pamięd, w której dane przesyłane są zarówno podczas rosnącego jak i opadającego zbocza sygnału
zegarowego. Składają się na nią komórki pamięci ułożone w kolumny i wiersze, bufor I/O oraz szyna
danych pomiędzy komórkami a buforem. Pamięci DDR pozwalają na dokonywanie dwóch transferów
w ciągu jednego taktu.

DDR2

Jest to rozszerzenie pamięci DDR. W pamięci tej dokonano modyfikacji w szerokości szyny
danych(zwiększono ją dwukrotnie) pomiędzy komórkami pamięci, a buforem, a także zwiększono
prędkośd samego bufora. Szybkośd pamięci ograniczana jest przede wszystkim przez szybkośd
komórek, dlatego w DDR2 tak naprawdę to komórki pracują dwukrotnie wolniej a nie bufor szybciej.

GDDR(ang. Graphics Double Data Rate)

Jest to przekształcona na potrzeby karty graficznej pamięd DDR(DDR2- w zależności od wersji GDDR).

Moduły pamięci

Początkowo pamięd w komputerach była instalowana w postaci pojedynczych układów. Z powodu ich
architektury  często  określano  je  mianem  DIP(ang.  Dual  Inline  Package).  Poza  czasochłonnością  i
pracochłonnością,  których  wymagała  instalacja  układów  DIP,  związany  z  nimi  był  jeszcze  jeden
problem, mianowicie odkształcenia gniazd pojawiające się z czasem na wskutek zmian temperatury w
czasie  pracy  komputera.  Początkowe  rozwiązanie  problemu  polegało  na  lutowaniu  pamięci  na
powierzchni  płyty  głównej  lub  karcie  rozszerzającej.  Niestety  w  przypadku  uszkodzenia  układu
pamięci konieczne  było jego wylutowanie,  a następnie przylutowanie  nowego, co było kosztowne  i
bardzo  trudne.  Rozwiązaniem  problemu  mógł  byd  układ,  który  był  lutowany,  ale  jednocześnie
umożliwiał wymianę.

Współczesne płyty główne wyposażone są w złącza typu SIMM(ang. Single Inline Memory Modules).
Są to podłużne płytki, na których umieszczono „kostki” pamięci, wyposażone w złącze krawędziowe.
Moduły te posiadają 72-stykowe złącze. Złącze SIMM ma 32-bitową szynę danych. Moduły te są
wykonywane w dwóch wersjach:



Wersja S(ang. Single density) o pojedynczym upakowaniu;



Wersja D(ang. Double density) o podwójnym upakowaniu;

Nowszym osiągnięciem przemysłu komputerowego jest moduł DIMM(ang. Dual Inline Memory
Modules). W zależności od rodzaju pamięci znajdującej się na module posiada on różną ilośd
wyprowadzeo. Moduł ten może byd nośnikiem dowolnego rodzaju pamięci.

Kolejnym osiągnięciem został SO-DIMM(ang. Small Outline DIMM). Są to specjalne moduły DIMM
przeznaczone do montażu w notebookach, komputerach zajmujących mało powierzchni, specjalnych

drukarkach biurowych oraz urządzeniach sieciowych. Moduły takie są gabarytowo mniejsze od wersji
DIMM.

Metody adresowania pamięci

Aby zorganizowad komórki pamięci w sprawnie funkcjonujący układ, należy je odpowiednio
zaadresowad.

Adresowanie jest to określenie i odwołanie się do źródła lub miejsca przeznaczenia danych za
pomocą adresu. Na ogół wiąże się ono z określaniem adresów argumentów operacji. Format
rozkazów(ang. Instruction format) określających operacje jest dobierany tak, aby mieścił informacje
dotyczące argumentów.

Istnieje wiele sposobów adresowania, zarówno w sensie określania adresu, jak i w sensie
odwoływania się za pomocą adresu. Sposoby adresowania związane z określeniem źródła lub miejsca
przeznaczenia danych nazywa się trybami adresowania(ang. Addressing modes).

Podstawowe sposoby adresowania w procesach:



Adresowanie bezpośrednie(ang. Direct addressing) – umieszczenie adresu bezpośrednio w
rozkazie, jest to rozwiązanie niezbyt ekonomiczne w przypadku programów działających na
danych skupionych w pewnym obszarze;



Adresowanie rejestrowe bezpośrednie – argument znajduje się w jednym z rejestrów
procesora, adres tego rejestru stanowi częśd rozkazu. Adresowanie to jest szybsze od
adresowania bezpośredniego, ale jest ograniczone do liczby rejestrów procesora;



Adresowanie rejestrowe pośrednie – rozkaz zawiera adres rejestru, w którym
przechowywany jest adres argumentu w pamięci, jest ono szybsze od adresowania
bezpośredniego, za to ograniczone liczbą bitów danego rejestru;



Adresowanie  pośrednie(ang.  Indirect  addressing)  –  zawartośd  komórki  określonej  przez
podstawową  informację  adresową  jest  traktowana  również,  jako  adres.  To  adresowanie
może  byd  wielopoziomowe,  tzn.  adres  A

znajdujący się w komórce A

, wyznaczonej przez

informacje adresową, może byd adresem miejsca przechowywania następnego adresu
A

(oczywiście liczba rozumianych w ten sposób poziomów jest ograniczona);



Adresowanie indeksowe(ang. Index addressing) – podobne do adresowania względnego, ale
role licznika pełni rejestr indeksowy



Adresowanie proste/natychmiastowe(ang. Immediate addressing) – w komórce następującej
po komórce zawierającej rozkaz znajduje się sam argument;



Adresowanie bezwzględne(ang. Absolute addressing) – komórka następująca po komórce
zawierającej rozkaz zawiera adres bezwzględny argumentu;



Adresowanie względne – adres argumentu jest suma informacji adresowej zawartej w
rozkazie oraz stanu licznika rozkazów;

Procesory z reguły umożliwiają stosowanie wielu różnych sposobów adresowania.

Rejestry indeksowe są rejestrami, których zawartośd może byd bardzo szybko dodana do przesunięcia, o

długości rozkazów zaadresowanej dowolnej komórki pamięci

Przeliczanie adresów logicznych na rzeczywiste nie jest takie proste i wyraźne i zależy m. in. od trybu
pracy procesora:



Tryb rzeczywisty(ang. Real mode) - procesory 32-bitowe przełącza w stan pracy procesora 16-
bitowego;



Tryb chroniony(ang. Protected mode) – wprowadzony w celu ochrony poszczególnych zadao
pracujących pod kontrolą wielozadaniowego systemu operacyjnego;



Tryb wirtualny procesora 8086(ang. Virtual 8086 mode) – kombinacja dwóch poprzednich
trybów; każdy z programów użytkowych widzi swój własny procesor 8086 pracujący w trybie
rzeczywistym, a elementy z trybu chronionego zapewniają odpowiednie prawa dostępu i
uniemożliwiają kolizję między zadaniami;

Stronicowanie

Stronicowanie jest to mechanizm umożliwiający dowolne mapowanie adresów logicznych na adresy
fizyczne. Adresy logiczne obejmują całą przestrzeo adresową procesora(4GB), niezależnie od tego, ile
w rzeczywistości w komputerze zainstalowano pamięci. Zadaniem systemu operacyjnego jest
odpowiednie mapowanie dresów logicznych na adresy pamięci fizycznej, co pozwala zwykłym
programom użytkowym przez cały czas działania odwoływad się do tych samych dresów logicznych.

Włączone stronicowanie dzieli całą pamięd na bloki o rozmiarach 4kB. Gdy program odwołuje się do
pamięci, podaje adres właściwej komórki pamięci, który jest 32-bitową liczbą składająca się z trzech
części:

1. Indeks w katalogu stron

(liczba 10-bitowa),

2. Indeks w tablicy stron

(liczba 10-bitowa),

3. Przesunięcie w obrębie strony(liczba 12-bitowa);

Każda pozycja w tablicy stron przechowuje pewne dodatkowe informacje dotyczące strony pamięci:



Bit obecności(ang. present) – mówi czy strona znajduje się w pamięci fizycznej



Bit użycia(ang. accessed) – jest ustawiany przez procesor, gdy nastąpi odwołanie do danej
strony



Bit modyfikacji(ang. modified) – jest ustawiany podczas zapisu danych

Kontrola błędów

W serwerach i komputerach o ważnym znaczeniu, gdzie na pierwszym miejscu stoi niezawodnośd i
stabilnośd, niedopuszczalna jest sytuacja, gdy podczas odczytu lub zapisu komórki pamięci RAM
nastąpi błąd. Dlatego też w tego typu maszynach stosuje się pamięd z kontrolą.

Początkowo był to system, dzięki któremu podczas przesyłania danych można było  kontrolowad ich
stan. Jest on stosunkowo prosty i polega na stwierdzeniu czy liczba logicznych jedynek w przesyłanym
bloku  danych  jest  parzysta,  czy  nieparzysta.  Dodatkowy  dziewiąty  bit,  jest  przechowywany  w
komórce  pamięci.  Jednak  taki  sposób  sprawdzania  błędów  jest  bardzo  niedokładny,  gdyż  potrafi
wykryd tylko błędy o nieparzystej ilości.

Katalog stron zawiera wskaźniki do tablic stron

Tablice stron przechowują adresy fizyczne stron

Wraz ze wzrostem pojemności pamięci i powiększeniu jej szyny do 63 bitów  inżynierowie doszli do
wniosku,  że  system  kontroli  parzystości  jest  bardzo  nieefektywny.  Wymyślono  wówczas  system    o
nazwie ECC(ang. Error Correction Code  – kod korekcji błędu). Ma ona nie tylko możliwośd wykrycia
informowania o napotkanym błędzie, ale również, w określonych warunkach, jego naprawy.

ECC zmniejsza wydajnośd pamięci do ok. 3% w stosunku do modułów bez tej technologii i jest od nich
droższy.  Wpływają  na  to  opóźnienia  wynikające  z  konieczności  obliczania  sumy  kontrolnej  podczas
odczytu  i  zapisu  komórek  pamięci.  Pamięci  te  mogą  byd  oczywiście  używane  w  domowych
komputerach, jednak w tym wypadku obsługę ECC musi zapewnid chipset płyty głównej oraz jej BIOS.

Opóźnienie(Timing)

Jest to czas, jaki upływa od zainicjowania np. odczytu komórki d uzyskania jej wartości. Mierzy się je
w cyklach zegarowych, jakimi jest taktowany bufor I/O pamięci i oznacza zamiennie t lub T. oczywiste
jest, że im mniejsze mają one wartości, tym lepiej, bo skraca to czas oczekiwania na wykonanie
zadania.

Podstawowymi timingami są:



CL(CAS Latency; CAS – Column Access Strobe lub Column Adress Select) – czas, jaki
upływa od wydania przez procesor rozkazu aktywacji konkretnej kolumny, do momentu
wysłania danych do bufora w kontrolerze pamięci;



RCD(RAS to CAS Dlay; RAS – Row Access Strobe; CAS – Column Access Strobe) – czas, jaki
upływa od zakooczenia wykonywania polecenia aktywacji konkretnej kolumny, do
rozpoczęcia wykonywania polecenia aktywacji konkretnego wiersza;



RP(RAS Precharge) – czas, jaki upływa od wykonania polecenia zamknięcia dostępu do
wcześnie aktywowanego wiersza i rozpoczęcia wykonywania polecenia aktywacji
kolejnego;



RAS(Row Active Time) – czas, jaki upływa od żądania wykonania polecenia aktywacji
wiersza aż do jego dezaktywacji;



CR(Command Rate) – czas, jaki upływa pomiędzy adresowaniem dwóch niekoniecznie
różnych komórek pamięci.

Kompatybilność

Pomimo obecności standardów może okazad się, że dana pamięd nie do kooca poprawnie
współpracuje z naszą płytą główną. Dotyczy to przede wszystkim pamięci wyczynowych

, które

pracują z wyższymi taktowaniami niż t, określone w standardach. Również podczas produkcji pamięci
stosuje się drobne modyfikacje w budowie modułów DIMM tak, by uzyskad jak najwyższą wydajnośd,
a żeby nadal były one kompatybilne. Jednak nie w każdym przypadku tak jest. Producenci płyt
głównych testują moduły pamięci i modyfikują odpowiednio BIOS-y płyt głównych tak, aby
zagwarantowad poprawną współpracę pamięci. Można się przekonad, że wymiana BIOS-u na nowszy
często powoduje lepszą(czy też prawidłową) pracę pamięci. Dotyczy to przede wszystkim tych
najszybszych modeli.

Pamięci wyczynowe są to pamięci, których parametry zostały przez producenta podkręcone tak, by

przekraczały standardy wyznaczone przez JEDEC