Тақырып 4

# Тақырып 4. Қазіргі оперативті жадтың теориялық негіздері

Мақсат: оперативті жадтың теориялық негіздері, жад микросхемалары және жад мінездемелері қарастыру.

Жоспар:

1. SDRAM анықтамасы

2. SDRAM микросхемасы: физикалық ұйым және жұмыс принципі.

3. DDR/DDR2 SDRAM.

4. Жад мінездемесі.

1. SDRAM анықтамасы

SDRAM абревиатурасы Synchronous Dynamic Random Access Memory - синхронды динамикалық жадқа өз бетімен рұқсат. Бұл анықтамалардың әрбіріне толық тоқталамыз. «Синхронды» әдеттегі жүйелік шина жиілігіне жадтағы уақытша диаграммалармен жұмыс жасайды және басқарушы сигналдардың байланысы қатал түсіндіріледі. Сол себепті «синхронды» SDRAM операциясымен осы кезде командалардың жіберу уақытша аралықтарының қатал байланысы түсінуге болады және берілгендердің лайықты интерфейстермен жад құрылғыларының жад шиналары жиілігіне (ЖЖҚ барлық операциялар жад интерфейс синхросигналасы қатал фронтқа/кесуге іске асырылады). Дәл осылай, командалардың жіберу және берілгендердің оқу /жазу жад шиналары әрбір тактіде жүзеге аса алады (дұрыс жағдайда – «фронт» синхросигналына; DDR/DDR2 жад жағдайында берілгендерді жіберу «фронттағыдай» болады, дәл осылай қате жағдайда - «кесу» синхросигналына), бірақ өз бетімен уақытша аралықтармен емес (бұл DRAM асинхрондықтай жүзеге асты).

«Динамикалық» жад түсінігі, DRAM жатады, барлық оперативті жад түрлеріне қатысты, бұлт ертеде «әдеттегі» асинхрондық динамикалық жадтан бастап, және қазіргі DDR2 жад аяқтайды. Бұл термин қарама-қарсылық ұғымы «статикалық» (SRAM) жад негізінде енгізіледі және жадтың әрбір ұяшығының мазмұнын оқтын-оқтын қажетті жаңартуды білдіреді, (оның контрукциясы ерекшелігінің нәтижесінде, экономикалық түсініктермен айтып жаздырылған). Сол уақытта, статикалық жад, көбірек күрделі және көбірек қымбат ұяшық контрукциясын сипаттайды, және процессорларда кэш-жад ретінде (ал ертеде - аналықтарды платада) қолданылады, регенерация циклдарынан, тәуелсіз және оның негізінде сыйымдылығы емес, (динамикалық құрастырушы), триггер (статикалық құрастырушы) жатады.

2. SDRAM микросхемасы: физикалық ұйым және жұмыс принципі.

Ұйымның жалпы принцип және (DRAM) динамикалық жад микросхемаларының жұмыс жасаулары оның барлық түрлері үшін практикалық түрдей бірдей - алғашқы асинхрондықтай, дәл осылай қазіргі синхронды. DRAM жадының массивін матрица ретінде (екі өлшемді жиым) элементтеріндей қарастыруға болады, әрбірі бір немесе бірнеше физикалық ұяшықтардан тұрады (микросхема конфигурациясына байланысты), ақпараттың элементарлық бірлікті сыйдыру қабілеттілігі – берілгендердің бір битті. Ұяшықтар транзистордың (кілттің) үйлестіруін және конденсаторды (сақталған элемент) ұсынады. Матрица элементтеріне рұқсат, жол мекенжайлары және бағана мекенжайлары кері кодтау көмегімен жүзеге асады, RAS# сигналдарымен басқарылады (жолдар таңдау сигналы - Row Access Strobe) және CAS #(бағананы таңдау сигналы - Column Access Strobe).

Микросхема орамалары минимизация мөлшері, жолдар және бағаналар мекенжайлары микросхеманың бір ғана адрестік сызығымен беріледі - басқаша айтқанда, жолдар және бағаналар мекенжайлары мультиплексациялауы көрсетеді (жоғарыда айтылған айырмашылығы, жалпы DRDRAM микросхемаларының жұмыс жасау принциптарында) «әдеттегідей» синхрондылар/асинхрондықтар DRAM, сонымен қатар, осы типте - микросхемалар жадында жолдар және бағаналар мекенжайлары әр түрлі физикалық интерфейстермен беріледі.

Динамикалықпен жад матрицасымен статистикалық табиғатмен ерекше буфері байланысты, «деңгей күшейткішімен»(SenseAmp) аталынған, мөлшері бір жол мөлшеріне тең, ұяшық жадында орналасқан оқу операциялары және берілгендер регенерацияна арналған қажетті жүзеге асыруы. Сондықтан соңғы физикалық тұрғыда конденсаторларды ұсынады, әрбір оқу операцияларын іске асыруда ұяшықта сақталынған берілгендерді деңгей күшейткіші қалпына келтіруге міндетті, жанында, цикл аяқталуынан кейін рұқсат (жад микросхемасынан берілгендерді оқу циклында деңгей күшейткіш көбірек қатысуы толық төмен қарастырылған).

Сонымен қатар, конденсаторлар сондықтан өз уақытынд қуатын жоғалтады (оқу операцияларынан тәуелсіз), ұяшықтың мазмұнын берілгендерді жоғалтпау үшін оқтын-оқтын жаңарту қажет. Жадтың қазіргі үлгілерінде, автоматты регенерация режімдерін ұстайды («оянған» күй-жағдайда) және саморегенерация («ұйықтап жатқан» күй-жағдайда), бұл микросхема жадында орналасқан әдеттегі регенерация ішкі контроллері тапсырмасы болып келеді.

Жалпы жағдайда жад ұяшығына айналдыру схемасы келесі үлгімен көрсетіледі:

1. Микросхемалар жадындағы адрестік сызықтарға жол мекенжайы беріледі. Сонымен қатарға RAS# сигналы беріледі, мекенжай буферіне жол мекенжайларын (ілгешекті) орналастырады.

2. RAS# сигналының тұрақтануынан кейін, жол мекенжай декодері керек жолды таңдайды, және оның мазмұны деңгей күшейткішіне орналасады (массив жолының логикалық жағдайы ауыстырады).

3. Микросхемалар жадындағы адрестік сызықтарға баған мекенжайы CAS# сигналымен бірге беріледі, мекенжай буферіне баған мекенжайларын (ілгешекті) орналастырады.

4. Сонымен қатарCAS# сигналы берілгендерді шығару сигналымен қызмет етеді, оның тұрақтануы таңдалған берілгендер шығару буферіне (бағана мекенжайына лайықты) деңгей күшейткіші атқарады.

5. CAS# және RAS# сигналдары жүйелі дезактивацияланады, циклға рұқсатты қайта бастауға рұқсат етеді (уақыт арасы өткен соң, деңгей күшейткіші ішіндегі берілгендер қайтадан массивтің жол ұяшығына қайтып келеді, оның бұрынғы логикалық жағдайы қалпына келтіреді).

SDRAM модульдері: Ұйым

Микросхемалар жадтың логикалық ұйымының негізгі параметрлері - сыйымдылық, тереңдігі және ені, SDRAM типті жады модульдеріне таратуға болады. Сыйымдылық (немесе көлем) ұғымы модульдің анықтығы - бұл ақпараттың үлкен көлемді, берілген модуль өзіне сыйдыруға қабілетті. Ол теориялық жағынан битпен сипатталады, бірақ жалпы қабылданған «тұтыну» жад модулі мінездемесімен оның көлемі, байтпен сипатталуы, қазіргі деңгейде жад көлемдері мега, немесе гигабайттарда қолданылады.

Модульдің ені - бұл берілгендер шина интерфейсінің шеберлігі, жад контроллер берілгендер шина шеберлігіне сай болады және SDRAM (SDR, DDR және DDR2) жад контроллерлерінің барлық қазіргі типтеріне арналған 64 бит тұрады. Сол себепті, барлық қазіргі модульдер берілгендер шинасы «x64» интерфейсті енімен сипатталады, 64-биттік шина енімен жад контроллері (жад модульінің 64-биттік интерфейспен) берілгендерінің арасындағы сәйкестігі қалай көрсетіледі, қашан микросхемалардың жадтың берілгендер шинасы ішкі шинасы әдетте барлығы 4, 8, немесе 16 битті құрайды? Жауап өте қарапайым – берілген модульдің шина интерфейсі жад модульінің дара микросхемаларының сыртқы шиналардың қарапайым жүйелі «қосылумен» құрастырылады. Осындай «толтыру» жад контроллерінің берілгендер шиналары физикалық банк жад құрастырушысымен қабылданған атау. Сол себепті, бір физикалық банкінің құрастырылуы 64-разрядты жадтың SDRAM модуліне бары 16 микросхемасы x4, 8 микросхемасы х8 (бұл ең жиі кездесетін нұсқасы) қажетті және жеткілікті, немесе 4 микросхемасы х16.

Модульдің қалған параметрі - тереңдігі, жад модулінің (сыйымдылық) көлімінің мінездемесі болып табылады, берілген енінің «сөздер» санымен есептеледі, модульдің толық көлемін қарапайым бөлуімен (битпен көрсетілген) байқауға болады, оның еніне (сыртқы шинаның берілгендерінің разряды битпен көрсетілген). Дәл осылай, типтік 512-МБ жад модулі SDR/DDR/DDR2 SDRAM тереңдікті, 512МБайт * 8(битты/байт)/64 бит =64 М тең. Сәйкесінше, тереңдікке енінің туындысы модульдың толық көлемін береді және оның ұйымын немесе геометрияны анықтайды, ол берілген мысалда «64Мx64» түрінде жазылады.

Жад модульінің физикалық банкімен қарастырсақ, x8 немесе x16 микросхемалардың «кеңінен» қолданылуы, көбінесе саны бойынша сәйкесіне бір емес, екі физикалық банкілерге -16 микросхемалардың x8 немесе 8 микросхемалардың x16 сыйғызуға кедергі жасамайды. Дәл осылай бірбанкті (немесе «бірранкілі», single - rank) және екібанкті («екіранкілі», dual - rank) модульдерді айырады. Екібанкті жад модульдері көбінесе «16 микросхемасы х8» конфигурациясымен көрсетіледі, сонымен қатар физикалық банктердің бірі (бірінші 8 микросхема) модульдің бет жағында орналасқан, ал екінші олардан (қалған 8 микросхема) - сырт жағында орналасқан. Жад модулінің бір физикалық банкі көбінесе айқын артықшылықпен есептеуге болмайды. Командалық интерфейс тоқтауларының артуының талап ете алады.

Жад модульдері: SPD микросхемасы

Синхронды динамикалық SPD оперативті жады бірінші үлгісі пайда болғанға дейін тағы SDRAM стандартымен JEDEC ескереді, әр жад модулінде кішкене мамандандырылған ТЖҚ микросхемасы қатысуы қажет, «қатысуының жүйелі табылуы» (Serial Presence Detect, SPD) микросхемамен аталынған. Бұл микросхема модуль конфигурациясы және типі туралы негізгі ақпараттан тұрады, уақытша тоқтаулар, жад микросхемаларының деңгейінде оперциялардың орындалуын ұстау қажет, сонымен қатар қалғаны ақпараттарды, модуль өндіруші кодын қоса, оның сериялы нөмірі, даярлау датасын т.б. тұрады. SPD стандартының соңғы тексеруі жад модульінің DDR2 сонымен қатар өзіне модульдердің жұмыс жасау температуралық режим туралы деректерді қосады, қолданыла алады, мысалы, үйлесімді температуралық режим сүйемелдеуіне арналған синхронизациямен басқару арқылы жадтың («жад троттлингісі» DRAM Throttle деп аталатын синхросигнал импульсін реттеу).

Жад таймингілері

Жад модульдерінің микросхемалардың мінездемелерінің категориясы «жад тайминг» - ұғымы болып келеді, бұл ұғым кез келген ДК пайдаланушыға таныс. «Тайминг» ұғымы тоқтаулармен байланысты, жад ұяшығында және басқа интеграл схемалардың сияқты SDRAM құрылғысың соңғы жылдамдықпен жұмыс жасауларына байланысты кез келген операциялармен пайда болады. Жадқа кіруде пайда болатын тоқтауды, «латентность» жады деп атау қабылданған (бұл термин «latency»нақты аудармасы «тоқтау» дегенді білдіреді).

3. DDR/DDR2 SDRAM

DDR SDRAM микросхемаларының қарастырсақ, олар көп жағынан SDR SDRAM микросхемаларға ұқсас болады, себебі, микросхемалардың екі типінде бірдей логикалық ұйымды болады (бірдей сыйымдылық жанында), жад массивінің 4-банктік ұйымын қоса, және бірдей командалық-адрестік интерфейсті. SDR және DDR арасындағы салыстырмалы қалыптасуы берілген интерфейстің логикалық қабат ұйымында жатады. Берілген интерфейспен SDR SDRAM типті жадта деректер синхросигналға («фронтқа») дұрыс беріледі. Сонымен бірге SDRAM микросхемаларының ішкі жиілігінің жұмыс жасауы берілгендердің сыртқы шина жиілігімен сәйкес келеді, ал SDR SDRAM берілгендерінің ішкі шина ені (ұяшықтың енгізуді/шығару буферлеріне дейін) берілгендердің сыртқы шина енімен сәйкес келеді. Сонымен қатар, интерфейсінің берілгендері DDR типті жад (сонымен қатар DDR2) берілгендер шина бір тактісінің артынан екі рет беріледі: синхросигналға дұрыс («фронтқа»), дәл осылай және дұрыс емес («кесуге») беріледі.

DDR SDRAM қолданылатын архитектура, «2n - предвыборки» архитектурасы деп аталады. (2n-prefetch ). Бұл архитектурада берілгендерге кіру «екі-екіден» жүзеге асады - әрбір жеке берілгендерді оқу командасы екі элементтің берілгендерін сыртқы шинамен жіберуге әкеледі (берілгендер қуаты, SDR SDRAM сияқты сыртқы берілгендер шинасынның қуатына тең). Әрбір берілгендерді жазу командасы сыртқы берілгендер шинасынан екі элемент түсулерін күтеді. DDR SDRAM құрылғыларында берілгендерді жіберуде неліктен (Burst Length, BL) «пакет-ұзындығы» мөлшері 2-ге азырақ емес.

DDR2 SDRAM типті құрылғылар «2n-prefetch» архитектурасының дамуына логикалық жалғасы болып келеді, DDR SDRAM құрылғыларында қолданылады. DDR2 SDRAM құрылғыларының архитектурасы «4n-prefetch» аталады, ішкі берілгендер шинасы ені екі емес, төрт есе үлкен сыртқы шина енімен салыстырғанда. Бірақ бір тактіде сыртқы берілгендер шинасын жіберуде берілгендердегі бірліктер санын үлкейтуде емес, әйтпесе бұндай құрылғылар «Double Data Rate2 ұрпақты» деп аталмас еді. Ішкі берілгендер шинасының «кеңеюі» DDR2 SDRAM микросхемаларының жұмыс жасау ішкі жиілігін төмендетеді, DDR2 SDRAM микросхемаларының жұмыс жасау жиілігімен салыстырғанда, теориялық өткізу қабілеттілігімен бірдей. Бір жағынан, микросхемалардың жұмыс жасау ішкі жиілік төмендеуі, жадтың құрылғысы тұтынатын қуаттылық елеулі төмендетуге рұқсат етеді. Басқа жағынан, DDR2 микросхемалардың 4n-prefetch архитектурасы сыртқы берілгендер шинасы екі есе үлкен жиілікті береді, DDR микросхмасының сыртқы берілгендер шинасы жиілігімен салыстырғанда, бұл микросхемалардың жұмыс жасау ішкі жиілігі бірдей. Қазіргі уақытта жұмыс жад модулінің стандартты жылдам категориясы DDR2-800 (берілгендер шинасының жиілігі 400 мГц) бүгінгі күні жад нарықта жеткілікті көп таралған, сол уақытта соңғы ресми стандарт DDR сияқты шек қойылған жылдам категориясы DDR-400 (берілгендер шинасының жиілігі 200 мГц).

DDR2 микросхемаларының жұмыс жасауының ішкі жиілігі оның сыртқы интерфейсі жиілігінің жартысын құрайды. Сол себепті, бір «ішкі» такт жад микросхемасының екі «сыртқы» такті болып келеді, олардың әрбірі, өз кезегінде, екі элементті оқу/жазу болып табылады. Демек, әрбір «ішкі» жад микросхема тактісі лезде берілгендердің 4 элементтердің (осы арадан 4n- prefetch атауы) оқу/жазу, яғни жад микросхемасы ішіндегі барлық операциялар «4-элемент» деңгейде берілгендер блогі жүзеге асады. Осы арадан, (BL) пакет ұзындығының ең аз мөлшері 4-ке тең болу керек. Жалпы жағдайда, «2nn-prefetch» архитектурасында әрқашан Burst Length ең аз мөлшер, 2n–ке тең сәйкес келеді (n =1 сәйкес келетін DDR; n =2 - DDR2; n =3 - болатын DDR3).

4. Жад мінездемесі

Жадтың негізгі мінездемесі оның өткізу қабілеттілігі болып келеді, яғни берілгендердің барынша көп саны, жадтың уақыт бірлігіне жадтан оқуға/жазуға болады. Бұл мінездеме жад типінде атауында түзу немесе жанама болады.

Жадтың өткізу қабілеттілігін анықтау үшін, бір тактта жіберілетін жүйелік шина жиілігінің байтты санына көбейту керек, тапсырылғандардың бір тактінің артынан. SDRAM жады 64- биттік (8- байт) берілгендер шинасын иеленеді.

Мысалы, DDR400 жадының өткізу қабілеттілігі 400 МГц x 8 байт =3,2 Гбайт/c. Егер жад екіарналы режимде жұмыс істесе, онда жад теориялық өткізу қабілеттілігі екі еселенеді, яғни екіарналы режидегі DDR400 жадында ол 6,4 Гбайт/c құрастырады. Әтүрлі типті жад үшін теориялық өткізу қабілеттілігі 2-кестеде көрсетілген.

2-кесте жад типтерінің сәйкестігі және теориялық өткізу қабілеттілігі.

Неғұрлым жадтың өткізу қабілеттілігі көп болса, соғұрлым жақсы деуге болады. Жадтың өткізу қабілеттілігі процессорлық шинаның өткізу қабілеттілігімен байланысты болу керек. Егер жадтың өткізу қабілеттілігі процессорлық шинаның өткізу қабілеттілігінен басым болса, онда процессорлық шина жүйеде тар орында тұрып, жад мүмкіншіліктері шек қояды. Егер Intel Pentium 4 процессорын қарастырсақ, немесе жаңа екіядролы Intel Pentium D процессорлар, онда процессорлық шинаның тактілік жиілігі 800 немесе 1066 МГц құрастырады. Шина ені 64 бит (немесе 8 байт) құрастырады, онда процессорлық шинаның өткізу қабілеттілігі 6,4 немесе 8,5 Гбайт/c құрайды. Егер жүйеде FSB 800 МГц жиілігімен процессор қолданылса, онда бірарналы режимде - DDR2-800 жады, ал екіарналы режимде - DDR2-400 жадыны қолдану жеткілікті.

Егер жүйеде FSB 1066 МГц жиілігімен процессор қолданылса, онда бірарналы режимде DDR2-1066 жадысы, ал екіарналы режимде - DDR2-533 жадысын қолдану жеткілікті.

Типтік жағдаймен жадты екіарналы режимде қолданған жөн, DDR2-533 жады шешімді қамсыздандырады.

Сұрақ: егер DDR2-533 жадысы өткізу қабілеттілікті қамсыздандырса, процессорлық шинаның өткізу қабіліттілігімен бірге, онда жылдам әрекет етушіге жадтың керегі неде? Осыған дейін біз теориялық, яғни өткізу қабілеттілігінң көп мүмкіндіктері туралы, берілгендердің әрбір тактпен жіберу кезініде - жүйелі жіберуді қалыптастырады. Нақты жағдайда теориялық жеткіліксіз, өйткені, жад ұяшығына рұқсат алу үшін тактіні ескеру керек, сонымен қатар жад модулі баптауға арналған. Осыған орай жад басқа маңызды мінездемелерімен жад тайминги немесе оның латентность болып табылады.

Латентность команда түсуі аралығындағы тоқтау және оның орындауы деп түсіну қабылданған. Латентность мәнін телефон соғумен салыстыруға болады. Нөмірді теру (абонент шақыру) және трубкада жауапқа дейін өтетін уақытпен, бұл телефондық шақыру латентность болып табылады.

Әдибиет: 1, бет. 49-68; 7, бет. 35- 39.

Бақылау сұрақтар

1. SDRAM аббревиатурасы қандай мағына береді?

2. SDRAM «синхронды» операциясының астарында қандай түсінік бар?

3. DRAM «динамикалық» жад астарында қандай түсінік бар?

4. DRAM жадында физикалық ұяшықтар қалай ұйымдастырылған?

5. Деңгей күшейткіші нені орындайды?

6. Жад ұяшығының схемасы қалай көрсетілген?

7. Жад микросхемаларының логикалық ұйым қандай негізгі параметрлері ерекшелеуге болады?

8. SPD микросхемасы не орындайды?

9. Жад таймингілері нені анықтайды?

10. DDR-SDRAM қарапайым SDRAM жадынан айырмашылыға неде?

11. 2n-сұрыптау архитектурасы не орындайды?

12. Жадтың негізгі мінездемелері ата?

13. Өткізу қабілеттілікті қалай есептейді?

14. Латентность нені анықтайды?