Atmiņu veidi un ar tām saistītie jēdzieni

Atmiņas adresācija

RAM

ROM

Kešatmiņa

Video atmiņa

Flash atmiņa

Citas atmiņas

Memory_0.gif (22900 bytes)

Atmiņas adresācija

Katra vieta atmiņā tiek norādīta ar skaitli, kuru sauc par atmiņas adresi (memory address). Tas parasti ir heksadecimālais skaitlis. Neatkarīgi no tā, uz kuras mikroshēmas atrodas adresējamais baits: operatīvajā, pastāvīgajā vai video atmiņā, procesors darbojas ar atmiņu, izpildot pilnīgi vienādas komandas, kas atšķiras tikai ar adreses vērtību.

Memory_adr.bmp (579654 bytes)

RAM un ar to saistītie jēdzieni

Random-access memory (brīvpieejas atmiņa). Datora pamatatmiņa, pagaidu programmu kodu un datu glabāšanai. Jebkura informācija pēc datora izslēgšanas no šīs atmiņas zūd.

RAM iedalās:

conventional memory - sākuma 640 KB. Ja MS-DOS programmas nav īpaši veidotas, tās darbojas tikai šajā atmiņas apgabalā.

upper memory area - 384 KB atmiņas starp 640 KB un 1 MB. Ja datoram ir Intel386 vai jaunāks procesors, tad speciāla programma, kuru sauc par memory manager papildus pamatatmiņai vada papildatmiņas un paplašinātās atmiņas izmantošanu. Šajā atmiņas apgabalā var izveidot UMB (upper memory blocks) blokus. Tajos var ielādēt iekārtu draiverus un TSR (Terminate-and-stay-resident) programmas, kuras pilnībā vai daļēji glabājas operatīvajā atmiņā.

Expanded memory (paplašinātā atmiņa) - tehnika, piekļūšanai RAM virs 1 MB. Lai dators piekļūtu šai atmiņai, ir jāizmanto EMM - Expanded memory manager. Utilītprogramma, kura izmanto extended atmiņu, lai varētu izmantot expanded atmiņu datoriem ar Intel386 procesoru un jaunākiem.

Extended memory (paplildus atmiņa) - RAM virs 1 MB. Lielākā daļa programmu var šo atmiņu izmantot, piemēram, Windows. Šo atmiņu vada ar speciālu   programmu - XMM. XMM (extended memory manager) ļauj lietotāja un vadības programmām kopā ar XMS (eXtended memory specification) izmantot RAM virs 1 MB.

HMA- High memory area. Pirmie 64 extended atmiņas baiti zem 1 MB. Atmiņas vadības programma, kura atbilst XMS var veidot HMA par tiešu paplašinājumu conventional atmiņai.

RAM parasti datoros veido no DRAM (Dynamic random-access memory) mikroshēmām. Tā kā DRAM mikroshēmas elektrisko spriegumu ilgstoši uzturēt nevar, dators nepārtraukti atjauno katras DRAM mikroshēmas saturu.

Kešatmiņa un ar to saistītie jēdzieni

Kešatmiņai (Cache - krātuve) ir ļoti būtiska nozīme pamatplates un cietā diska ātrdarbības palielināšanā. Fiziski kešatmiņa parasti sastāv no SRAM elementiem ar piekļuves laiku 15 - 20 ns.

Procesora ar takts frekvenci, piemēram, 33 MHz, darba cikls ir ~ 33 ns. RAM moduļu piekļuves laiks ir 60 - 100 ns. Rezultātā procesoram, lai sagaidītu datu parādīšanos maģistrāle, ir jāgaida 2 - 3 cikli. Tāda situācija noved pie visas sistēmas ātrdarbības samazināšanās. Lai cīnītos ar CPU dīkstāvēm, sistēmā tika ievietota ātrdarbīga atmiņa.

Datu apmaiņa ar operatīvo un ārējo atmiņu notiek caur kešatmiņu. Tā, procesoram lasot datus no operatīvās atmiņas, tie vispirms nonāk kešatmiņā un tikai pēc tam procesorā. Priekšrocība ir tā, ka, ja procesoram tie paši dati ir nepieciešami atkārtoti, pēc tiem nav jāgriežas pie lēndarbīgās atmiņas. Procesorā tie var nonākt bez gaidīšanas. Datu plūsmas koordinēšanu veic keškontrolers, kurš ziņo procesoram par to, vai vajadzīgie dati kešatmiņā ir vai nav.

Modernajos datoros izmanto Pipeline tipa kešatmiņuu, kura ir ātrāka par parasto.

Procesora ārējā kešatmiņa

Pirmoreiz ārējā kešatmiņa (128 KB) parādījās 80386 procesoram. 486 procesoram tās apjoms jau bija 256 vai 512 KB. Tagad tās apjoms var būt līdz 1 MB. Šo kešatmiņu sauc par otrā līmeņa (L2) kešatmiņu sistēmās, kuru procesoriem ir iekšējās kešatmiņas. 286 un 386 procesoru sistēmās tā ir pirmā līmeņa (L1) kešatmiņa.

Procesora iekšējā kešatmiņa

Bez ārējās kešatmiņas sistēmas ātrdarbības palielināšanai 486 un Pentium procesoriem tika izveidota arī iekšējā kešatmiņa ar apjomu 8 vai 16 KB. To nosauca par pirmā līmeņa (L1) kešatmiņu.

Cietā diska kešatmiņa

Kešatmiņas princips tiek izmantots arī datu lasīšanai un rakstīšanai cietajā diskā. Šī kešatmiņa ir izvietota pašā cietajā diskā un tad atkārtoti griežoties pie diska vairs nav nepieciešamības lasīt datus no diska (piekļuves laiks dažas milisekundes), bet tos var ņemt no kešatmiņas. Šīs kešatmiņas apjoms ir 128 vai 256 KB.

Jēdzieni

Asynchronous SRAM - SRAM, kuras vadības signāliem nav nepieciešama saskaņošana ar takts impulsiem. Par ~30% lētāka par sinhrono SRAM.

Burst - paketes apstrādes režīms; ātrāks 30-50% kā asinhronajai un ~50% dārgāks.

Cache controller - interfeisa kontrolers starp CPU, kešatmiņu un DRAM (pamatatmiņu).

Cache hit - CPU meklētā adrese ir atrasta kešatmiņā.

Cache miss - CPU meklētā adrese nav atrasta kešatmiņā.

CELP socket - Card Edge Low Profile. Vieta, kur kešatmiņ ievietou pamatplatē.

COAST - Cache On A Stick. Kešatmiņas moduļu konstruktīvā izpildījuma specifikācija.

Direct-mapped cache - kešatmiņā, kurā ir tikai viena iespējamā atrašanās vieta katram datu baitam.

External cache - kešatmiņa ārpus procesora, kura atrodas pamatplatē netālu no tā.

Full-associative cache - atļauja kešatmiņai izvietot datus jebkurā tās rindā.

Index - CPU adreses daļa, kuru izmanto atrašanās vietas noteikšanai kešatmiņā.

Internal cache - kešatmiņa, kura parasti atrodas pašā procesorā.

Level One (L1) - kešatmiņa, kura parasti atrodas pašā procesorā. Sauc arī par primāro.

Level Two (L2) -  otra kešatmiņa, kura parasti neatrodas pašā procesorā, bet pamatplatē Sauc arī par sekundāro.

Pipeline burst - sinhronās kešatmiņas tips, kas ir mazliet dārgāks par pakešu, bet ar līdzīgu izpildījumu. (Pakešu var strādāt ātrāk, bet ne visas pamatplates to uztur).

Primary cache - tas pats. kas pirmā līmeņa kešatmiņa.

Secondary cache - tas pats. kas otrā līmeņa kešatmiņa.

Set-associativity - vienas pamatatmiņas adreses atrašanās vietu skaits kešatmiņā.

SRAM - Static Random Access Memory. Atmiņas veids, kuru parasti izmanto kešatmiņā. Daudz ātrāka par DRAM.

Synchronous SRAM - SRAM, kuras vadības signāliem ir nepieciešama saskaņošanas ar taksts impulsiem. Tas ļauj kesatmiņai strādāt saskaņoti ar CPU. Var būt gan Burst gan Pipelined Burst.

Tag - CPU adreses daļas biti, kurus izmanto, lai salīdzinātu kešatmiņas kataloga un pamatatmiņas adreses atbilstību.

Tag RAM - kešatmiņa fiziski ir sadalīta divās daļās. Tag RAM sekcija glabā datu atrašanās adreses kešatmiņā. Šī daļa ir mazāka par Data RAM sekciju, kurā glabājas reālie dati un komandas.

Write Back (vai copy back) - dati, kurus CPU ieraksta kešatmiņā netiek ierakstīti arī pamatatmiņā, kamēr datu rinda kešatmiņā nav nomainīta.

Write Through - tehnikā kā datus no CPU saskaņoti vienlaicīgi ieraksta gan kešatmiņā gan pamatatmiņā.

ROM  un ar to saistītie jēdzieni

Read-only memory. Dators dažas savas darbības svarīgākās programmas glabā ROM. Atšķirībā no RAM, ROM mikroshēma saglabā savu saturu arī pēc datora izslēgšanas. Kā ROM programmu piemērus var nosaukt datora palaišanas programmu. BIOS un POST.

BIOS - Basic input/output system - ievades/izvades sistēmas pamati. BIOS satur programmas, kuras ir saglabātas ROM mikroashēmā. BIOS nodrošina sakarus ar mikroprocesoru un ārējām iekārtām, tādām kā klaviatūra vai video karte; dažādas funkcijas, piemēram, sistēmas paziņojumi.

POST - Power-on self-test. Pirms operatīvās sistēmas ielādēšanas pēc datora ieslēgšanas, POST pārbauda vairākas sistēmas sastāvdaļas - RAM, disku iekārtas un klaviatūru.

ROM veido arī ar EEPROM (mikroshēmas electrically erassable programmable read-only memory) mikroshēmām. Tās var tikt programmētas no disketes ar utilītprogrammas palīdzību. EPROM (erassable programmable read-only memory) un  lielākā daļa EEPROM mikroshēmu saturu var pārrakstīt tikai ar speciālās programmēšanas iekārtās palīdzību.

Video atmiņa un ar to saistītie jēdzieni

Video memory. Attēla veidošana ir sarežģīts un resursus noslogojošs process, tādēļ lielākajai daļai VGA un SVGA video adapteriem bez datora RAM, lai uzlabotu video iespējas ir arī VRAM (video random-access memory) vai VRAM un DRAM atmiņas mikroshēmu kombinācija).

Zinot vēlamo punktu skaitu uz ekrāna un vēlamo krāsu daudzumu katram punktam, var aprēķināt nepieciešamo videoatmiņas izmēru. Piemēram SVGA videokontrolieris ar 1 MB atmiņas var uzturēt 800x600 punktus 65 536 krāsās, vai 1024x768 punktus 256 krāsās.

DRAM, EDO RAM

DRAM atmiņas mikroshēmas ir samērā lētas, taču lēndarbīgas. Tam par iemeslu ir nepieciešamība laiku pa laikam reģenerēt atmiņas saturu.

EDO RAM stradā par 10% ātrāk DRAM pateicoties lasīšanas ātruma palielināšanai - nākošais lasīšanas cikls var sākties pirms iepriekšējais ir beidzies. Pirmsākumos EDO RAM izmantoja operatīvajā atmiņā, taču vēlāk sāka plaši izmantot arī videokartēs.

Abu tipu atmiņas izgatavotas pēc vienas un tās pašas tehnoloģijas.

VRAM

Lai monitors varētu atjaunot ekrāna saturu ātri (60-70 reizes sekundē), grafiskajai atmiņai ir jāstrādā ātri. Tajā pat laikā tai ir ātri jāatsaucas procesoram vai grafiskajam kontrolierim, lai izveidotu uz ekrāna jaunu attēlu. VRAM (Video RAM) tipa videoatmiņā šī problēma ir atrisināta, izveidojot divus datu kanālus (dual-ported). Tie ļauj tie atmiņas griezties videoadaptera kontrolierim un ciparu analogajam CRT kontrolierim vienlaicīgi.

Tādā veidā kļūst iespējama vienlaicīga datu ierakstīšana un nolasīšana. Atjaunot ekrāna saturu un saņemt jaunā attēla datus šeit var vienlaicīgi. VRAM atmiņa ir daudz ātrdarbīgāka par DRAM un EDO RAM. wram.jpg (5721 bytes)

WRAM

WRAM (Window RAM), tāpat kā VRAM tipa atmiņa, ir divkanālu. WRAM var strādāt ar ātrumu līdz 50 MHz un ir par 30% ātrāka par VRAM.

Jaunās konstrukcijas rezultātā tai ir mazāk pusvadītāju elementu un tāpēc tā ir lētāka par VRAM. WRAM atmiņas shemotehnikas izgatavošana ir orientēta uz pielietojumu videokartēs.

Šajā atmiņā eksistē ātrs divu krāsu ierakstīšanas bloks teksta pārsūtīšanai un apgabalu aizkrāsošanas pāatrināšanai ar šablonu palīdzību. WRAM atmiņā tāpat ir realizēta FastBit tehnoloģija, kas uzlabo video un dubulto buferizāciju 3D nodrošināšanai.

SGRAM

SGRAM (Synchronous Graphics RAM) tipa atmiņa ir ļoti līdzīga SDRAM atmiņai, taču tā ir piemērota grafikas datu lasīšanai/rakstīšanai, jo ļauj atsevišķu vārdu vietā  stādāt ar datu blokiem. Tas ļauj samazināt lasīšanas operāciju skaitu, tādējādi palielinot grafiskā kontroliera ražību. SGRAM var strādāt ar ātrumu 66 MHz un vairāk.

MDRAM

MDRAM (Multibank RAM) izstrādāja firma MoSys Inc. MDRAM sastāv no vairākiem neatkarīgiem blokiem (pa 32 KB katrs). Atmiņas bloku neatkarība ļāva izveidot dažāda nomināla mikroshēmas un tādējādi atrisināt neizmantotās atmiņas problēmu. Tā, piemēram, 1024x728 punktu režīmam ar 16,7 miljoniem krāsu toņiem viena video kadra glabāšanai ir nepieciešami 2,3 MB atmiņas. Ar citu atmiņas tipu palīdzību šāda apjoma realizācija iespējama 4 Mb, bet ar MDRAM pietiktu ar 2,5. Tā atšķirībā no pierastajiem citu atmiņu apjomiem, firma MoSys ražo moduļus ar ietilpību 0,5 MB, 0,75 MbB, 1 MB, 1,125 MB, 1,25 MB.

DDR SGRAM

DDR (Double Data Rate) SGRAM takts frekvence ir 150 un 166 MHz. Šāda veida atmiņu izgatavo firmas Micron, Samsung, Fujitsu un Siemens. Atmiņu uztur vadošo firmu ATI, Rendition, NVIDIA, Trident, 3DLabs, Intel un 3Dfx kontroleri.

Atmiņas tipu salīdzinājums

Atmiņas tips Maģistrāles frekvence MHz Maksimālais caurlaidības
ātrums MB/s
FPM DRAM 25 - 33 80
VRAM 25 - 33 120
WRAM 50 180
EDO RAM 40 - 50 105
SDRAM 66 - 100 166 - 253
RDRAM 250 300 - 500
MDRAM 125 - 166 405 - 490

Flash atmiņa

1993. gadā aprīlī firmas AMD un Fujitsu nolemj riskēt un laist ražošanā flash atmiņu.

m_flash.jpg (7877 bytes) Flash atmiņa ir pārrakstāmā atmiņa, kura darbojas kā RAM un cietā diska apvienojums. Flash saglabā elektroniskos datu bitus atmiņas šūnās tāpat kā:
  • DRAM, bet nav nepieciešana datu reģenerācija;
  • SRAM, bet datu uzturēšanai nav nepieciešams pastāvīgs spriegums;
  • kā cietais disks, jo dati tajā saglabājas arī tad, kad barošanas spriegums ir atslēgts, taču tai nav kustīgo daļu.

Flash atmiņu izmanto digitālajās kamerās, plaukstdatoros, PDA, digitālajos mūzikas atskaņotājos, mobilajos telefonos, peidžeros, visur, kur ir nepieciešamība droši (to korpus ir ļoti izturīgs) un vienkāršā veidā saglabāt un pārvietot informāciju. Datoros šo atmiņas veidu neizmanto tāpēc, ka atmiņai ir ierobežots darba mūžs ~ 100 000 ierakstīšanas cikli. Otra problēma ir tā, ka datu dzēšana notiek pa blokiem, nevis pa atsevišķiem baitiem. Datoros Flash atmiņu varētu izmantot sistēmas konfigurācijas glabāšanai un tīkla aparatūrā mikrokodu un komandu glabāšanai.

Flash atmiņa ir mikroshēmu, moduļu un atmiņas karšu formā. Tajā var saglabāt līdz 160 MB informācijas. Ražotājfirmas: Kingston, ...

Citas atmiņas un ar tām saistītie jēdzieni

Virtual memory

Metode, kā palielināt adresējamo RAM, izmantojot cieto disku.

DMA

Direct memory access - tiešā piekļuve atmiņai. DMA kanāls nodrošina drošu datu apmaiņu starp RAM un iekārtu, apejot mikroprocesoru.

External cashe memory

RAM kešatmiņa, kurā izmanto SRAM (Static random-access memory) mikroshēmas. Tā kā SRAM strādā vairākas reizes ātrāk par DRAM mikroshēmām, mikroprocesors var iegūt datus un komandas atrāk no ārējās kešatmiņas, nekā no RAM.

NVRAM

Nonvolatile random-access memory. Atmiņa, kura datus pēc elektrības izslēgšanas nezaudē. NVRAM izmanto datuma, laika un sistēmas galveno parametru glabāšanai.