Прожигаемая при изготовлении память ROM

Первоначально в большинстве микросхем ROM уже на этапе изготовления были прожжены "0" и "1", т. е. такую память ROM можно представить в виде матрицы, в которой уже при изготовлении в нужных местах записываются нули и единицы. Матрица представляет собой кремниевый кристалл (микросхему). Такие микросхемы называются прижигаемыми при изготовлении, поэтому что данные записываются в маску, с которой фотолитографическим способом изготовляется матрица. Подобный производственный процесс экономически оправдывает себя при изготовлении сотен тысяч микросхем с одинаковой информацией. Если потребуется изменить хотя бы один бит, придется переделывать маску, а это обойдется недешево. Поэтому такой тип памяти RОM не используется.

Память PROM

В память PROM (рис. 5.1) после изготовления можно записать любые данные. Она была разработана в конце 197-х годов компанией Texas Instruments и имела емкость от 1 Кбайт (8 Кбит) до 2 Мбайт (16 Мбит) или больше. Эти микросхемы могут быть идентифицированы по номерам вида 27nnnn в маркировке, где 27 указывает

Рис. 5.1. Типичное программирующее устройство (многоразъемное)

для прожига памяти PROM

PROM типа TI, a nnnn — емкость кристалла {микросхемы} в килобитах. Например, в большинстве персональных компьютеров с PROM использовались микросхемы 27512 или 271000, которые имели емкость 512 Кбит (64Кбайт) или 1 Мбит (128 Кбайт).

Подразумевается, что эти микросхемы после изготовления не содержат никакой информации, на самом деле при изготовлений они прописываются двоичными единицами. Другими следами, микросхема PROM емкостью 1 Мбит содержит 1 млн. единиц (фактически 1 048 576). При программировании такой "пустой" PROM в нее записываются нули. Этот процесс обычно выполняется с помощью специального программирующего устройства.

Процесс программирования часто называется прожигом. Каждую "1" можно представить как, неповрежденный плавкий предохранитель. Большинство таких микросхем работают при напряжении 5 В, но при программировании PROM подается более высокое напряжение (обычно 12 В) по различным адресам в пределах адресного пространства, отведенного для микросхем. Это 6олее высокое напряжение фактически записывает "0", сжигая плавкие предохранители в тех местах, где необходимо прео6разовать 1 и 0. Хотя можно превратить

1 в 0, этот процесс необратим, т. е. нельзя преобразовать 0 в 1. Программирующее устройство исследует программу, которую необходимо записать в микросхему, и затем выборочно изменяет в микросхеме 1 на 0 только там, где это необходимо. Поэтому микросхемы PROM часто называются микросхемами ОТР (Оne Time Programmable— программируемые один раз). Они могут быть запрограммированы только однажды. Большинство микросхем PROM стоят совсем недорого, примерно 3 доллара.

Поэтому при изменении программы в PROM старая микросхема выбрасывается, а новая прожигается в соответствии с новыми данными.

Процесс программирования PROM занимает от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от емкости микросхемы и применяемого алгоритма. На приведенном выше рисунке показано типичное программирующее устройство, которое имеет несколько разъемов. Это устройстве может программировать несколько микросхем сразу, сохраняя время при записи тех же данных, в нескольких микросхемах. Менее дорогие программирующие устройства имеют только один разъем.

Необходимо отметить, что для изменения BIOS в современных компьютерах подобные устройства не применяются. В них используются микросхемы Flash ROM.

Память EPROM

Это разновидность памяти PROM, которая одно время была весьма популярна. Данные в памяти EPROM можно стирать. Микросхема EPROM (рис. 5.2) четко видна через кварцевое окошко, расположенное прямо над кристаллом. Фактически сквозь окно вы можете видеть кристалл. Микросхемы EPROM имеют тот же номер 27nnnn, что и стандартные PROM, причем они функционально и фактически идентичны, если бы не прозрачное кварцевое окно над матрицей.

Рис. 5.2. Внешний вид микросхемы EPROM

Окно пропускает ультрафиолетовые лучи. Интенсивное ультрафиолетовое облучение стирает информацию на матрице (микросхеме) EPROM. Окно сделано из кристалла кварца, потому что обычное стекло не пропускает ультрафиолетовых лучей. (Ведь вы не можете загорать при закрытых окнах!). Кварцевое окно повышает стоимость микросхемы EPROM. Такое повышение будет неоправданным если информацию не нужно стирать.

Ультрафиолетовые лучи стирают информацию на микросхеме, вызывая химическую реакцию, которая как бы восстанавливает {спаивает} плавкие предохранители. Так, любой двоичной 0 в микросхеме становится двоичной 1. Для этого требуется, чтобы длина волны ультрафиолетовых лучей была равна примерно 2,537 ангстрема, а их интенсивность была довольно высокой {12000 мВт/см²). Источник должен располагаться в непосредственной близости - не дальше 2-3 см (приблизительно 1 дюйм), а время экспозиции должно составлять от 5 до 15 мин. Устройство стирания EPROM содержит источник ультрафиолетовых лучей (обычно это ультрафиолетовая лампа накаливания), расположенным над выдвижным ящичком, в котором размещаются стираемые микросхемы.

Кварцевое окно на микросхеме EPROM обычно заклеивается липкой лентой, чтобы предупредить случайное проникновение ультрафиолетовых лучей. Они входят в состав солнечного света и. конечно, присутствуют даже в обычном комнатном освещении, так что через какое-то время в микросхеме, подвергающейся экспозиции, может произойти потеря данных. Поэтому после программирования, ее окно заклеивается, чтобы предотвратить потерю данных.

Системная память

Обычно под системной памятью понимают оперативную память. На самом работоспособность всей компьютерной системы зависит от характеристики подсистемы памяти в целом. Подсистема памяти охватывает:

- оперативную память как таковую;

-память первого уровня, расположенную в ядре процессора;

-память второго уровня (в некоторых конфигурациях она выступает как кэш третьего уровня), размещаемую на материнской плате, картридже процессора или в его контроллер памяти;

-шины данных и команд, объединявшие все элементы подсистемы в единое целое.

Рост требуемых объемов оперативной (системной) памяти происходит практически непрерывно по мере развития технологии аппаратных средств и программных продуктов. Сегодня повсеместным стандартом становится 64 Мбайт. При 32 Мбайт еще обеспечиваются минимально необходимые условия функционирования современных операционных систем.

Для комфортной работы в среде издательских пакетов и графических редакторов понадобится уже 128 Мбайт. Если же работать с цветом, то 256 Мбайт оперативной памяти не покажутся излишними. Для профессиональной работы по созданию трехмерных изображений высокого качества, обработки видео в режиме реального времени лучше иметь не менее 512 Мбайт.

Те же правила относятся и к кэш-памяти. Если кэш второго уровня расположен на ядре процессора и работает на его частоте, он в принципе эффективнее кэша, размещенного на материнской плате. Естественно, что чем больше емкость кэш-памяти, тем эффективней работает подсистема памяти в целом. В дальнейшем мы покажем, как сконфигурировать подсистему памяти по объему, параметрам модулей памяти, согласованию с другими компонентами с целью добиться наилучшего соотношения цена/производительность. Но прежде необходимо уяснить некоторые общие вопросы, касающиеся принципов функционирования элементов подсистемы памяти.

Быстродействие ОЗУ

Быстродействие процессора выражается в мегагерцах (МГц), а быстродействие запоминающего устройства и его эффективность — в наносекундах (нс.

Наносекунда — это одна миллиардная доля секунды, т. е. очень короткий промежуток времени. Заметьте, что скорость света в вакууме равна 299792 км/с. За одну миллиардную долю секунды световой луч проходит расстояние, равное всего лишь 29,98 см, т.е. меньше длины обычной линейки!

Рабочая частота современных процессоров достигает 3000 и более МГц (3 ГГц, или 3 млрд. циклов в секунду), а в следующем году, как ожидается, возрастет до 4 ГГц.

Очень легко запутаться, сравнивая, например, процессор и модули памяти, быстродействие которых выражено в разных единицах.

Как можно заметить, при увеличении тактовой частоты продолжительность цикла уменьшается, а быстродействие, соответствующее 60 нс памяти DRAM, используемой в обычном компьютере, мизерно по сравнению с процессором, работающим на частоте 400 МГц и выше. Заметьте, что до недавнего времени большинство микросхем DRAM, используемых в персональных компьютерах, имели время доступа 60 нс, которое равнозначно тактовой частоте 16,7 МГц! Поскольку эта "медленная" память устанавливается в системы, в которых процессор работает на частоте 300 МГц и выше, возникает несоответствие между эффективностью оперативной памяти и процессора. В 2000 году чаще всего применялась память, РС100 или РС1ЭЗ, которая работает на частоте 100 или 133 МГц соответственно. Начиная с 2001 года, память стандартов DDR (200 и 266 МГц) и RDRAM (800 МГц) стала завоевывать все большую популярность. В 2002 году появились модули памяти стандарта DDR с частотой 333 и 400 МГц, а также стандарта RDRAM с частотой 1 066 МГц.

Поскольку транзисторы для каждого бита в микросхеме памяти размещены в узлах решетки, наиболее рационально адресовать каждый транзистор, используя номер столбца и строки. Сначала выбирается строка, затем столбец адреса и, наконец, пересылаются данные. Начальная установка строки и столбца адреса занимает определенное время, обычно называемое временем задержки или ожиданием. Время доступа для памяти равно времени задержки для выборки столбца и строки адреса плюс продолжительность цикла. Если длительность цикла памяти равна 7,5 нс (133 МГц), а длительность цикла процессора — 1 нс (1 ГГц), то процессор должен находиться в состоянии ожидания приблизительно 6 циклов – до 17 –го цикла, т.е. до поступления данных. Таким образом, состояние ожидания замедляют работу процессора настолько, что он вполне может функционировать на частоте 133 МГц.

Эта проблема существовала на протяжении всей компьютерной эпохи. Для успешного взаимодействия процессора с более медленной основной памятью обычно требовалось несколько уровней высокоскоростной кэш-памяти.

Как правило, компьютер работает гораздо быстрее, если пропускная способность шины памяти соответствует пропускной способности шины процессора. Сравнивая скорость шины памяти с быстродействием шины процессора, можно заметить, что между этими параметрами существует определенное соответствие. Тип памяти, пропускная способность которой соответствует скорости передачи данных процессора, является наиболее приемлемым вариантом для систем, использующих соответствующий процессор.

Процессор и основная оперативная память разделены кэш-памятью первого и второго ровней, поэтому эффективность основной памяти зачастую ниже рабочей частоты процессора. Следует заметить, что в последнее время в системах, в которых используются модули памяти SDRAM, DDR SDRAM и RDRAM, тактовая частота шины памяти достигает рабочей частоты шины процессора. Если скорость шины памяти равняется частоте шины процессора, быстродействие памяти в такой системе будет оптимальным.

Группа ОЗУ делится на две подгруппы. Если ОЗУ содержит в качестве элементарных ячеек памяти цепи типа триггеров, оно называется статическим ОЗУ (или статической оперативной памятью); динамические ОЗУ строятся более просто и основаны на свойствах электрической емкости, но они должны подтверждать содержимое ячеек примерно несколько сотен раз в секунду. Статические ОЗУ не нуждаются ни в каком подтверждении, и их двоичное содержимое сохраняется до тех пор, пока сохраняется питание ИС.