Memoria calculatorului: Memoria ROM, RAM

Memoria

Memoria reprezinta componenta functionala care pastreaza informatia intr-un sistem de calcul. Aceasta informatie contine programele si datele necesare sistemului de calcul.

Prin interpunere a memoriei cu celelalte componente functionale ale sistemului de calcul, informatia este introdusa in calculator de unitatile de intrare si sunt stocate la inceput in memorie, de unde sunt preluate de unitatile functionale ale sistemului de calcul (unitatile de iesire, procesorul).

Informatia memorata se compune din:

- o zona de stocare temporara in care se incarca programele;

- informatiile obtinute in urma executiei programelor, care vor fi transmise ca un canal de comunicatii intre procesor si periferice;

-date brute care urmeaza sa fie prelucrate;

- rezultatele prelucrarii acelor date.

Din punct de vedere fizic, memoria principala dintr-un sistem este un ansamblu de cipuri sau module, ce contin cipuri care sunt introduse intr-un conector de pe placa de baza. Memoria este unul din cei mai importanti factori care influentiaza performantele unui PC, datorita dimensiunilor mari ale aplicatiilor si sistemelor de operare actuale.

Viteza unui calculator depinde de calitatea si cantitatea memoriei, dar si de tehnologia de fabricatie.

Din punct de vedere al memoriei nu este primordiala informatia memorata ci modul de stocare, si modul de regasire a informatiei intr-un timp cat mai scurt. Fizic, memoria este constituita din elementele binare care au doua stari stabile 0 si 1. Deci o putem defini ca pe o succesiune de dispozitive logice elementare, capabile sa retina fiecare o valoare binara, adica un BIT (1b) de informatie.

Din punct de vedere functional, memoria poate fi vazuta ca o incolonare de biti caracterizata de valoare si de pozitia (adresa) lor, in aceasta secventa. Accesul la informatia din memorie se poate realiza, prin constructia sistemului de calcul, la nivelul unui grup de biti care se numeste celula sau locatie de memorie. [B I ]

Fiecare celula este definita in mod individual:

-adresa ei in memorie (o memorie cu n celule are adrese cuprinse intre 0 si n-1);

-cantitatea de informatie pe care o poate memora, unitatea de masura fiind numarul de biti. Daca o celula contine k biti, ea poate memora oricare din cele 2 combinatii diferite.

Caracteristici ale memoriei:

Intr-o singura operatie de transfer cu memorie, numarul de octeti de informatie care pot fi cititi sau scrisi, reprezinta cuvantul de memorie. Numar de biti transferati de la o adresa de memorie corespunzator citiri sau scrieri in memorie, este o operatie de transfer cu memoria. Unitatea de transfer cu memoria este cuvantul de memorie.

Caracteristica constructiva a unui sistem de calcul este lungimea cuvantului de memorie. Fiind unul dintre criteriile de grupare a calculatoarelor :8b, 16b, 32b, 64b,etc. Numarul maxim de biti de informatie care poate fi memorat la un moment dat reprezinta capacitatea memoriei. Altfel spus, capacitatea de memorie este data de numarul total de locatii de memorie. In functie de ordinul de marime al memoriei, ca unitate de masura se foloseste multipli Bit-ului.

Intervalul de timp scurs intre momentul furnizari adresei de catre procesor si momentul obtinerii informatiei, reprezinta timpul de acces la memorie. In timpul accesului la o locatie de memorie apar timpi suplimentari de asteptare a procesorului, deoarece in general memoria este mai lenta in comparatie cu viteza de lucru a procesorului. Memoria ideala este aceea care lucreaza sincron cu procesorul, fara timpi suplimentari de asteptare.

Intre doua accesari succesive la memorie, acestea includ timpul minim necesar care reprezinta ciclul de memorie. Acesta include timpul rezervat accesului plopiu-zis si timpii de regie ai unitatii de memorie, necesari desavarsirii acestuia.

Numarul de unitati de informatie transferati in unitate de timp reprezinta viteza de transfer sau rata de transfer.

Pretul memoriei in raport cu capacitatea de memorare, reprezinta costul.

Vitezele memoriilor sunt exprimate de obicei in 10e-9 secunde sau nanosecunde un timp foarte, foarte scazut. In timp ce viteza procesorului si a sistemului este exprimata in megahertzi (MHz.). Relatia de compatibilitate dintre viteza memoriilor si viteza procesorului este standarde. Un exemplu o memorie DRAM un timp de acces de 25 (ms) (ceea ce corespunde un 40 MHz ) este nepotrivit daca este comparat cu viteza procesorului, de 400 (MHz) si mai mari. Din aceasta diferenta de viteza rezulta timpi de asteptare. Pentru a reduce timpi de asteptare, exista tipuri de memorie rapida sau imediata (cache).

Clasificari ale memoriei.

*Dupa tipul de acces

-cu acces direct (aleator): RAM (Radom Access Memory). Timpul de acces depinde numai de caracteristicile constructive ale memoriei si este comparat cu viteza de lucru a procesorului;

-cu acces pozitional, unde aceesul la memorie depinde de operatiile de pozitionare iar timpul de acces depinde de adresa.

*Dupa pastrarea informatiei la intreruperea energiei electrice, memoriile pot fi:

- volatile;

- nevolatile.

*Dupa tehnologia de realizare:

- memorii cu ferite, care acum apartine de istoria memoriei;

- memorii cu semiconductori.

*Dupa operatiile care pot fi executate:

- memorii cu citire-scriere(read-vrite);

- memorii permanente, numite (ROM). [B. I]

Intr-un PC exista doua tipuri de memorie:

1. ROM (Read Only Memory)-memorie numai de citire;

2. RAM (Random Access Memory)

Memoria ROM

Se numeste read only deoarece in aceasta memorie este imposibil sau dificil de scris. Ea retine date in mod permanent sau semipermanent . Aici se stocheaza instructiunile de pornire a calculatorului, softul de pornire a sistemului.

Memoria principala ROM BIOS este constituita dintr-un cip ROM de pe placa de baza, dar exista si placi adaptoare pe care sunt instalate memorii ROM. Placile adaptoare care necesita draivere de pornire au memorie ROM, de exemplu placile video cele mai multe placi SCSI Small Computer Sistem Interface(pe cre se poate conecta HDD, CD, scanner si alte periferice) si unele placi de retea.

Cipurile ROM au timpi de acces foarte lenti fata de memoria DRAM, in care timpii de acces sunt aproximativ de 3 ori mai mici. Prin procedeul de duplicare (shadowed) copiaza continutul memoriei ROM in memoria RAM , apoi aloca aceiasi adresa care o folosea initial memoria ROM, dezactivand memoria ROM propriu-zisa in timpul procesului. Aceasta procedura face ca sistemul sa lucreze mai rapid ca si cum ar avea o viteza asemanatoare cu cea RAM. [A. S]

Exista patru tipuri diferite de cipuri ROM:

- ROM -Read Only Memory-memorie numai de citit;

- PROM -Programmable ROM - memorie ROM programabila ;

- EPROM- Erasable PROM - memorie PROM care poate fi stearsa;

- EEPROM- Electrically Erasable PROM;

Flash ROM (este un fel de memorie EEPROM)

1.1 Memoriile ROM cu masca (Masc ROM)

Datele inscriptionate in masca pastilei ROM s-a facut printr-un procedeu fotolitografic, fabricate in serie. Dar daca trebuie sa se modifice un singur bit, masca tebuie refacuta, cea ce costa. Nefiind rentabile, in prezent nu se folosesc aceste memorii ROM cu masca.

1.2 Memoriile PROM

Sunt tipuri de ROM care in stare noua nu sunt programate din fabrica, circuitele fiind formate dintr-o matrice de elemente ce functioneaza precum sigurantele fuzibile. Cu un aparat special numit programator de dispozitive, programator de memorii ROM sau arzator de memorii ROM, programarea se face prin scriere. Cipurile ROM adeseori se programeaza numai o data si nu pot fi sterse niciodata.

1.3 Memoriile EPROM

Memoriile EPROM au aceleasi caracteristici ca un PROM, cu optiunea ca pot fi sterse. Stergerea se face prin expunerea pastilei cipului la lumina ultravioleta care creeaza reactii chimice, care reface fuzibilele prin topire. Astfel, toate locatiile vor fi cu biti 1, readus in starea de fabricatie, adica pregatita pentru reprogramare.

1.4 Memoria EEPROM sau Flash ROM (Electrically Erasable PROM) Cipurilor EEPROM (Flash ROM) pot fi sterse si reprogramate fara a scoate cipul din sistem. Este o memorie nevolatila,iar din aceasta categorie, cele mai des folosite sunt memoriile Flash, deoarece are o capacitate destul de mare, un numar mare de reprogramari si modul de reprogramare este simplu.

1.5 Memoria Flash drive este o memorie portabila, exterioara, conectarea se face de regula prin USB, de mare capacitate de memorare, iar costul fiind accesibil face acest accesoriu sa fie practic.

Memoria MT29F1G08ABB a firmei Micron este o memorie FLASH NAND de 1Gb pe 8 biti.

Principalele caracteristici:

Organizatia

Dimensiune pagini x8:2,112 bytes (2,048+64 bytes),

Dimensiune blocuri 64 pagini (128K+4K bytes),

Dimensiune dispozitiv 1Gb: 1,024 blocuri.

Performante de citire

Citire radom: 25s(MAX),

Citire secventiala: 50ns(MIN).

Performante de scriere

programare pagina:250s(TYP),

stergere bloc: 2.0ms(TYP).

Durata de viata: 100,000 cicluri de programare/stergere.

Retinerea datelor: 10 ani.

Tensiune alimentare Vcc: 1.65-1.95V.

Programare si stergere automatizata.

Set de comenzi NAND Flash de baza :

-Citirea paginii, Citirea datelor in ordine aleatoare,citirea identificatorului, citirea statusului ,pagina programului, introducerea datelor in ordine aleatoare, cache-ul paginii programului, mutarea datelor interne prin introducerea datelor in ordine aleatoare, stergerea blocurilor, resetare;

Citirea paginii cu modul cache

Citirea identificatorului22

Citirea identificatorului unic

In/out programabil

OTP

Inchiderea blocului

Bit-ul de stare

Operatie: asigura o metoda software pentru a detecta terminarea operatiilor

Conditii de trecere sau esuare

Statusul de protectie la scriere

Semnalele Read/busy# : asigura o metoda hardware pentru detectarea Completarii operatiilor,

Semnalul LOCK: Protejeaza o regiune selectabila de blocuri .

Semnalul WP# : protejeaza intregul dispozitiv la scriere.   

Sursa https://download.micron.com/pdf/datasheets/flash/nand/1gb_nand_m48a.pdf

2. Memoria RAM

Memoria volatila este de fapt memoria RAM (Random Access Memory) cu acces aleatoriu, care se bazeaza pe stocarea sarcinilor electrice. Memoriile RAM poate fi statice sau dinamice.

2.1 Memoria RAM dinamica

2.1.1 Memoria DRAM (Dynamic RAM) Celulele de memorie al cipului DRAM sunt condensatoare microscopice care retin o sarcina electrica pentru a indica un bit. Avantaje - densitatea mare, adica putem introduce o multime de biti intr-un cip foarte mic, dezavantaje - ca este dinamica si trebuie sa fie reimprospatata (refreshed) periodic altfel se pierd sarcinile electrice din condensator. Ea nu tine pasul cu procesorul. Acest refreshed stopeaza procesorul din alte activitati..

2.1.2 Memoria Ferro Electric Ram Este de constructie, o memorie DRAM, dar foloseste un strat feroelectric pentru stocare nevolatila. Este folosit in multe memorii de tehnologie noua, ca o alternativa pentru inlocuirea memoriilor Flash Rom eliminand slabiciunile acestora si viteza de programare scazuta.

2.1.3 Nano Ram Este un tip de memorie nevolatila care se bazeaza pe pozitia mecanica a nano tubului de carbon depozitat pe un cip ca substrat. Dimensiunea mica a tuburilor permite constructia memoriilor de mare capacitate.

Memoria DRAM Fast Page Mode(FPM)

Accesul la memoria DRAM se face prin tehnica paing (paginare), care mentine aceiasi adresa de linie si modifica numai coloana, astfel accesul la toate datele dintr-o anumita linie a memoriei se face mai rapid.

O tehnica imbunatatita care permite accesul mai rapid la memoria DRAM este implementarea unui brust mode (in rafale) in procesoare. Ciclurile in rafale are atuul ca cele mai multe accese la memorie are o natura constructiva. La un anumit acces dupa stabilirea adreselor de linie si coloana folosind tehnica burst accesul la celelalte trei (patru) adrese adiacente se face fara stari de asteptare suplimentare. Un acces burst este limitat. Memoria DRAM care admite aceste doua moduri este numita memorie Fast Page Mode(FPM), adica accesele la memorie de pe aceeasi pagina se realizeaza cu mai putina latenta.

Interleaving (intercalarea)este o alta tehnica de accelerare a memoriei FPM. Prin combinarea a doua bancuri separate de memorie intr-unul singur, organizat sub forma de octeti pari si impari. In timp ce unul din bancuri este activ, celalalt este preincarcat, adica este selectata adresa liniei si a coloanei. In timp ce primul banc din pereche termina returnarea datelor, cel de-al doilea banc din pereche termina perioada de latenta a ciclului si este gata sa returneze datele adica lucreaza concomitent. Aceasta suprapunere a acceselor in doua bancuri face sa scada timpul de latenta din ciclurile de preincarcare si permite recuperarea mai rapida a datelor.

2.1.5 Memoria EDO RAM

Memoria EDO Extendet Data Out (iesire extinsa de date) este numita si Hiper Page Mode si este o forma modificata a FPM. Cipurile din care sunt fabricate, permite suprapunerea in timp a acceselor succesive.

Memoria SDRAM Synchronous (sincrona) DRAM

Este numita astfel pentru ca ea functioneaza sincronizat cu magistrala sistemului. SDRAM-ul furnizeaza informatii in rafale de mare viteza, utilizand o interfata de mare viteza comandata de ceas. Cele doua avantaje cheie a memoriilor SDRAM sunt folosirea unui ceas pentru a nu mai fi nevoie de sincronizare si eliminarea necesitati de a furniza adrese consecutive in timpul secventei de acces.[OPC]

2.1.7 DDR SDRAM (DDRAM)

Double Data Rate. Poate deservi datele pe ambii timpi ai semnalului de ceas (ascendent si descendent). Se refera la cantitatea de date care poate fi transferata de memorie in unitatea de timp. Memoria DDR poate transfera 8 bytes/ciclu.

2.1.8 Memoria RD-RAM - Rambus Dynamic Random Access Memory. Poate transfera numai 2 bytes/ciclu fata de DDR, dar lucreaza la frecvente mult mai mari.

Un exemplu de date tehnice a unei memorii DDR SDRAM:

Memoria MT46V128M8 a firmei Micron este un DDR SDRAM de 32MByt de 8 biti organizat in 4 bancuri.

Principalele caracteristici:

Tensiune de alimentare VDD 2.5-2.6V;

Semnal strope bidirectional pentru receptie / transmisie date (DQS);

Arhitectura interna double-data-rate DDR pipelined, accesarea a doua date pe o singura perioada de ceas;

Intrare de ceas diferential CK si CK#;

Primirea comenzilor pe fiecare tranzitie pozitiva a semnalului ceas;

Semnalul DQS aliniat la tranzitie la datele citite si aliniat la centru cu datele scrise;

Patru blocuri interne pentru functionare concurenta;

Lungime brust programabila 2,4 sau 8;

Moduri de autoreimprospatare;

Optiunea de auto preincarcare concurenta suportata.

sursa: https://download.micron.com/pdf/datasheets/dram/ddr/1GbDDRx4x8x16.pdf

2.2 Memoria RAM statica (Static RAM)

Memoria SRAM (Static RAM) in comparatie cu memoria dinamica este: mult mai rapida, suficient de rapida pentru a tine pasul cu procesorul; nu necesita reimprospatare deoarece permite sau impiedica circulatia curentului electric, folosind tranzistore, are o densitate mai redusa si este mult mai costisitoare. Memoria SRAM va retine tot ce a memorat atata timp cat exista alimentare electrica. Deoarece cipurile SRAM nu pot fi folosite ca memorie principala pentru sistemele de calcul fiind foarte scumpe, s-a gasit o metoda de utilizare a acestora pentru a imbunatati performantele sistemului. Astfel, s-a introdus o cantitate mica de memorie SRAM de mare viteza numita memorie imediata sau cache.

Memoria cache

Reprezinta memoria din care aceasta citeste si scrie in mod normal,

functioneaza la viteza egala sau apropiata cu cea a procesorului. Pentru ca procesorul sa nu fie nevoit sa citeasca date din memoria principala, exista de obicei doua nivele de memorie cache: Memoria cache de nivelul I (L1)este numita memorie interna, deoarece este incastrata in procesor, ea functioneaza la frecventa procesorului: Memoria cache de nivelul II (L2)este deobicei in exteriorul cipului procesorului si functioneaza la frecventa placi de baza.

Cuvantul cache, este termenul folosit a desemna, in general, orice memorie ce poate profita de avantajul localizarii accesului. Memoriile cache au fost introduse incepand cu prima decada a anilor 1960, la masinile care se aflau in stadiu de cercetare, urmand introducerea in productia masinilor in serie, practic toate masinile universale de la cele mai rapide pana la cele mai lente, includ o memorie cache

Viteza de functionare a memoriei cache este foarte aproape sau egala cu viteza de lucru a procesorului, si ea efectueaza operatiile de scriere si citire in mod natural. Eficienta memoriei cache este data de procentul de potriviri (hit ratio) care reprezinta raportul dintre potrivirile cache si numarul total de accesari ale memoriei. Daca datele de care are nevoie procesorul au fost gasite de memoria imediata intr-un bloc al nivelului superior al memoriei, neavand stari de asteptare pentru accesare lor se numeste rata de succes. Iar operatia in care nu s-au gasit datele din nivelul superior, se numeste rata de esec. Viteza succeselor si esecurilor determina performanta de a avea o ierahie a memoriei unui sistem de calcul. Timpul necesar accesului la un nivel superior al ierarhiei de memorie, incluzand si timpul necesar determinarii tipului de acces (succes sau esec) reprezinta timpul de succes (hit time). Timpul necesar inlocuiri blocului din nivelul superior cu un bloc din nivelul inferior incluzand timpul trimiteri acestui bloc catre procesor reprezinta penalizarea de esec (miss penalty). Nivelul superior este de construit din componente de memorie mai rapide si de dimensiuni foarte mici, timpul de succes este mult mai mic decat timpul de acces la urmatorul nivel al ierarhiei, care este componenta predominanta din penalizarea de esec. Asadar, construirea componentelor de memorie afecteaza si alte componente a unui calculator, incluzand modul in care sistemul de operare administreaza memoria si perifericele de intrare-iesire, compilatoarele si anumite aplicatii. Factorul major in determinarea performantei este sistemul de memorare, deoarece toate programele consuma cea mai mare parte a timpului accesand memoria.

O ierarhie de memorie poate sa aiba mai multe niveluri, datele la un moment dat sunt copiate, in numai doua niveluri adiacente (una linga alta) : nivelul superior, nivelul cel mai apropiat de procesor sau mai nou incorporat in procesor care este mai rapid si nivelul adiacent inferior. Unitatea minima de informatie care este sau nu este prezenta in ierarhia cu doua niveluri se numeste bloc. Daca datele de care are nevoie procesorul apare intr-un bloc la nivel superior, aceasta relatie se numeste potrivire (hit), iar in cazul in care nu se afla la un nivel superior, cererea de acces de date se numeste esec (miss). In aceasta situatie este accesat nivelul adiacent inferior, care are a capacitate mai mare dar este putin mai lenta. Memoria cache cea mai simpla este o memorie cu corespondenta cu bloc de un cuvant. Deoarece un cuvant poate fi introdus intr-o singura locatie si exista un marcaj separat pentru fiecare cuvant, atat succesele cat si esecurile sunt simple.

Se poate folosi o schema de scriere simultana pentru a pastra structura continutului memoriei cache si al memoriei principale , astfel incat fiecare scriere in memoria cache sa se actualizeze in acelasi timp si in memoria principala. O alta varianta asemanatoare este cea de scriere la loc, se copiaza un bloc de date inapoi in memoria principala dar atunci cand este inlocuit.

Daca memoria cache are un bloc de date mai mare de un cuvant, folosindu-se de principiul localizarii spatiale, atunci rata de esec scade si imbunatateste memoria cache. Principiul localizari foloseste faptul ca, programele acceseaza o portiune relativ mica din spatiul lor de adrese la orice moment de timp. Localizarile temporare sunt (in timp):

-daca un anumit obiect este posibil sa fie apelat din nou cat de curand;   

-spatiale daca se face referire la un obiect din memorie, iar obiectele care au adresele invecinate sa fie apelate cat de curand, sau cu alte cuvinte, adresele invecinate au informatii de aceeasi natura si tind a fi apelate pentru a gasi adresa cautata prin avantajul principiului localizarii, prin implementarea unui calculator sub forma de ierarhii de memorie. Ierarhia consta in mai multe niveluri de memorie cu diferite capacitati si viteze de acces. Este avantajoasa construirea memoriei sub forma unei ierarhii de niveluri datorate acestor diferente privind costul si viteza sau timpul de acces. Memoria cea mai rapida este plasata langa procesor (sau in procesor) dar, cea mai scumpa urmand pe nivelul urmator memoria ceva mai lenta dar si mai ieftina ca pret,dar avand capacitatea mai mare. Scopul este de a avea o cat mai mare memorie implementata prin tehnologie cat mai ieftina si cu viteza oferita de o memorie cat mai rapida.

Organizarea ierarhica a memoriei sistemului este: pe nivelul cel mai ridicat, cel mai apropiat de procesor (sau in procesor) este o componenta a oricarui nivel mai indepartat si datele sunt memorate pe nivelele mai de jos.

Schemele cu asociativitate totala permit pozitionarea aleatorie a blocului,dar pentru a satisface cererea, este necesar parcurgerea fiecarui bloc din memoria cache. Principiul pentru cautarea este prin implementarea in mod normal printr-un comparator de bloc de memorie cache si prin parcurgerea in paralel a locatiilor. Costul comparativ fiind ridicat face ca ea sa nu fie practica. O solutie practica este memoria cache cu asociativitate partiala deoarece necesita cautarea numai in cadrul unui set ce este ales prin indexare. Din cauza duratei comparatiilor si a selectiei intre elementele unui set, au un timp de acces mai lung, dar produc o imbunatatire a frecventei de succes. Problema comparatiei intre o memorie cache cu corespondenta directa si a uneia cu asociativitate partiala, depinde ca performantele atat de tehnologia folosita , cat si de detaliile de implementare. Ca tehnologie de reducere a penalizari de esec, la memoria cache cu mai multe niveluri, prin acceptarea unui nivel secundar de memorie cache de capacitate mai mare, ce trateaza esecuri intalnite la nivel primar.

Module de memorie

DIP (DUAL Inline Package) La inceput aceste sisteme aveau memoria instalata sub forma de cipuri individuale,aveau 36 de socluri pe placa de baza pentru aceste cipuri ulterior au fost instalate pe placile memoriei. Ulterior au aparut modulele SIMM (Single In-Line Memory Module) si DIMM(Doble In-Line Memory),care sunt conectate pe placa de baza.

Datorita evolutiei tehnologice si computerizarii tuturor aparatelor, inclusiv a jucariilor, memoriile evolueaza de la o zi la alta cea ce acum trei ani a fost super nou, azi este ceva expirat. Dar ultimul cuvant nu s-a spus inca, in imensa dimensiune a memoriei.    

In lucrare mea, am descris in mare: tipurile de memorii, principiile de functionare, exemple de parametrii si caracteristici.

BIBLIOGRAFIE:

www.itim-cj.ro/~jalobean/Cursuri/ArhCalc/Materiale/carte/cap2.htm

https://download.micron.com/pdf/datasheets/flash/nand/1gb_nand_m48a.pdf

https://download.micron.com/pdf/datasheets/dram/ddr/1GbDDRx4x8x16.pdf

ARHITECTURA CALCULATOARELOR autor: Antoanela Naaji

Editura: "Vasile Goldis" University Press

Arad 2006

Organizarea si proiectare calculatoarelor autori:David A Patterson si

John L.Hennessy.

Editura: ALL EDUCATIONAL, 2002

Completat cu cunostinte personale.

Mentionez ca exemplele de parametri si caracteristici le-am tradus.