Memoria - Mai multe amanunte

Industria memoriilor este una dintre cele mai dinamice aplicatii ale electronicii din zilele noastre. In ultimi ani chip-urile de memorie au avansat intr-un ritm alert, ceea ce a dus la o scadere dramatica a pretului / MB.
        Factorul principal care a dus la cresterea productiei fiind cererea de memorie, care a crescut datorita programelor ce utilizeaza tot mai multa memorie dar si datorita avantajului (d.p.d.v. al performantelor) pe care memoria RAM il ofera in comparatie cu alte tehnologii de stocare a informatiei. in acelasi timp performantele noilor module au fost imbunatatite, au scazut timpii de acces iar viteza bus-ului a crescut.

        Toate aceste caracteristici au fost implementate din cauza mai multor factorii de ordin tehnic, unul dintre acestia ar fi evolutia procesoarelor, care prin cresterea frecventei introduc necesitatea cresterii performantelor pentru memorii. in lungul timpului memoriile au fost construite prin prisma mai multor tehnologii, dintre acestea doar o parte au reusit sa se impuna pe piata.
        Principalul motiv fiind, dupa cum multi dintre noi cunosc, raportul pret / perfomanta.
        In continuare, ne propunem o scurta descriere a modului de functionare pentru cele mai raspandite memorii existente pe piata cat si avantajele / dezavantajele tehnologiilor existente.
      Clasificare, memoriile utilizate in PC se clasifica in doua categorii :

        ►ROM (Read Only Memory) acest tip de memorie nu poate fi rescrisa ori stearsa. Avantajul principal pe care aceasta memorie il aduce este insensibilitatea fata de curentul electric. Continutul memoriei se pastreaza chiar si atunci cand nu este alimentata cu energie.

        ►RAM (Random Access Memory), este memoria care poate fi citita ori scrisa in mod aleator, in acest mod se poate accesa o singura celula a memoriei fara ca acest lucru sa implice utilizarea altor celule. in practica este memoria de lucru a PC-ului, aceasta este utila pentru prelucrarea tempoarara a datelor, dupa care este necesar ca acestea sa fie stocate (salvate) pe un suport ce nu depinde direct de alimentarea cu energie pentru a mentine informatia.
        Memoria ROM este in general utilizata pentru a stoca BIOS-ul (Basic Input Output System) unui PC. in practica, o data cu evolutia PC-urilor acest timp de memorie a suferit o serie de modificari care au ca rezultat rescrierea / arderea "flash" de catre utilizator a BIOS-ului.
        Scopul, evident, este de a actualiza functiile BIOS-ului pentru adaptarea noilor cerinte si realizari hardware ori chiar pentru a repara unele imperfectiuni de functionare.
        Astfel ca in zilele noastre exista o multitudine de astfel de memorii ROM programabile (PROM, EPROM, etc) prin diverse tehnici, mai mult sau mai putin avantajoase in functie de gradul de complexitate al operarii acestora.
     BIOS-ul este un program de marime mica (< 2MB) fara de care computerul nu poate functiona, acesta reprezinta interfata intre componentele din sistem si sistemul de operare instalat (SO).
      Memoria RAM se clasifica in SRAM (Static) si DRAM (Dynamic).

        ►SRAM, acest tip de memorie utilizeaza in structura celulei de memorie 4 tranzistori si 2 rezistente. Schimbarea starii intre 0 si 1 se realizeaza prin comutarea starii tranzistorilor. La citirea unei celule de memorie informatia nu se pierde. Datorita utilizari matricei de tranzistori, comutarea intre cele doua stari este foarte rapida.

        ►DRAM are ca principiu constructiv celula de memorie formata dintr-un tranzistor si un condensator de capacitate mica.      
        Schimbarea starii se face prin incarcarea / descarcarea condensatorului. La fiecare citire a celulei, condensatorul se descarca.       
        Aceasta metoda de citire a memoriei este denumita "citire distructiva".
        Din aceasta cauza celula de memorie trebuie sa fie reincarcata dupa fiecare citire. O alta problema, care micsoreaza performantele in ansamblu, este timpul de reimprospatare al memoriei, care este o procedura obligatorie si are loc la fiecare 64 ms.       
        Reimprospatarea memoriei este o consecinta a principiului de functionare al condensatoriilor. Acestia colecteaza electroni care se afla in miscare la aplicarea unei tensiuni electrice, insa dupa o anumita perioada de timp energia inmagazinata scade in intensitate datorita pierderilor din dielectric.
        Aceste probleme de ordin tehnic conduc la cresterea timpul de asteptare (latency) pentru folosirea memoriei.

       Datorita raspandiri vaste a memoriei de tip DRAM, am sa exemplific modul de functionare a celulei de memorie in baza acestei tehnologii.
       Celula de memorie, este cea mai mica unitate fizica a memoriei. Este compusa din componente electronice discrete.
        Principiul de functionare este in fapt modificarea starii logice intre 0 si 1 care la nivel fizic, in functie de tehnologia utilizata, corespunde cu inmagazinarea energiei electrice prin intermediul unui condensator (pentru DRAM), ori cu reconfigurarea matricei de tranzistori (in cazul SRAM).
       Celula de memorie din punct de vedere logic este tratat ca fiind un bit. Cea mai mica unitate logica adresabila a memoriei este formata din opt biti si ia denumirea byte.
        Acesta ofera posibilitatea obtineri a 256 combinatii (caractere). Prin gruparea a opt bytes se obtine un cuvant (word). Constructiv, din motive ce tin de design, celulele de memorie sant organizate sub forma unor matrici.
        Pentru identificarea si accesarea celulelor de memorie, acestea dispun de o adresa unica pentru fiecare celula in parte. Identificarea celulei de memorie se face prin transmiterea adresei acesteia prin BUS-ul de adrese catre decodorul de adrese (format din decodoare pentru linie si coloana), acesta identifica celula de memorie care corespunde adresei primite si transmite continutul acesteia catre interfata de date iar aceasta mai departe, catre BUS-ul de date.
        Magistrala pentru adrese (BUS adrese) este conexiunea intre chipset-ul placii de baza si memorie, aceasta este puntea de legatura prin care adresele sunt transmise catre decodor.
        Decodorul de adrese este format din decodorul de linie si cel de coloana, acesta receptioneaza adresa celulei de memorie pe care o imparte in doua, prima parte fiind transmisa catre decodorul de linie iar a doua catre cel de coloana, astfel se identifica celula de memorie corespunzatoare.
      Matricea de memorie este structura prin care celulele de memorie sunt ordonate pe linii si coloane.
      Interfata pentru date contine un amplificator de semnal, acesta receptioneaza informatiile stocate in celulele de memorie, amplifica semnalul, reincarca memoria si transmite informatia prin BUS-ul de date catre chipset (in cazul in care informatia este citita din memorie). Pentru scriere procedeul se inverseaza.
      Magistrala pentru date (BUS date) este conexiunea intre chipset-ul placi de baza si memorie, aceasta ofera posibilitatea transmiterii informatiilor ce trebuiesc prelucrate de catre procesor ori stocate in memorie.
      In general celulele de memorie nu pot fi accesate individual, din acest motiv, constructiv matricea de memorie este incapsulata intr-un chip.
        Chip-urile de memorie sunt asamblate pe un modul de memorie (circuit imprimat) in numar de opt. Acestea sant conectate la magistrala de adrese si la cea pentru date.
        Astfel se obtine o celula de memorie virtuala, formata din 8 biti (1 byte). Modulele de memorie la randul lor sant organizate in bancuri de memorie, acestea sunt conectate intre ele in acelasi mod ca si chip-urile.
        Daca luam ca exemplu un procesor ce lucreaza pe 16 biti si vechile module de memorie de tip SIMM care functionau numai in perechi. Ne punem intrebare, de ce cate doua?
        Acest lucru se intampla datorita procesorului, care are nevoie de 16 biti pentru a umple magistrala de date, avand in vedere ca un modul de memorie detine numai 8 biti, doua astfel de module au fost conectate intre ele, in acest mod sa obtinut o magistrala pentru date cu latimea de 16 biti.
        Timpul de asteptare, pentru efectuarea tuturor operatiilor ce aduc informatia in interfata pentru date este necesar un anumit timp, care este identificat sub numele "latency".
        Astfel ca, pentru transmiterea adreselor intre procesor, chipset si memorie se utilizeaza 2 cicluri de tact.
        Pentru identificarea celulei de memorie se parcurg doua operatii. Identificarea liniei din matrice, pentru care avem nevoie de 2/3 cicluri (in functie de calitatea memoriei utilizata), aceasta perioada se numeste RAS (Row Address Strobe) to CAS (Column Address Strobe) delay si identificarea coloanei (CAS latency) pentru care se consuma aproximativ acelasi timp ca si pentru prima operatie (2/3 cicluri). Pentru transmiterea informatiei catre interfata de date se consuma 1 ciclu iar pentru ultima operatie, transmiterea datelor catre chipset si apoi catre procesor, inca 2 cicluri.
        Dupa transmiterea informatiilor, in cazul in care cererea emisa de procesor este mai mai mare decat latimea magistralei pentru date, urmatoarele cuvinte sant transmise catre procesor in modul rafala "burst mode" la fiecare ciclu de tact, acest lucru este posibil datorita unui numarator intern care identifica urmatoarea coloana si transmite catre amplificator continutul.
    Deosebiri SRAM / DRAM
        Principalul avantaj al memoriei dinamice (DRAM) este pretul foarte redus pentru obtinerea unei celule.
        De altfel, acesta este si singurul plus pe care aceasta memorie il are in comparatie cu SRAM. in schimb performantele sant cu mult in urma memoriei statice (SRAM).
        Datorita modului prin care se comuta intre starile 0 si 1 si a modului in care se executa citirea celulei de memorie, SRAM nu are nevoie de rescriere a datelor dupa ce acestea au fost citite si nici de reimprospatarea celulei de memorie. Atfel ca timpii de acces sant mult mai mici iar viteza la care acest tip de memorie lucreaza depaste cu mult performantele memoriei dinamice.
        Datorita pretului de cost mare pentru obtinerea unei celule SRAM, acest tip de memorie este utilizat numai pentru fabricarea memoriei cache ce se implementeaza in placile de baza sub denumirea de cache level 2 (L2) ori pentru memoria cache level 1 (L1) ce este integrata in structura procesoarelor.
        Memoria cache L1 functioneaza la aceasi frecventa cu cea a procesorului in timp ce pentru memoria cache L2 frecventa de lucru este jumatate fata de frecventa procesorului. Memoria cache a fost introdusa ca un artificiu tehnologic, care trebuie sa suplineasca diferenta de frecventa dintre procesor si memorie

    Complectare
        Dupa cum se stie, termenul de memorie RAM vine de la Random Access Memory si se refera la memoriile volatile cu acces aleator.
        Inainte de aparitia acestui tip de memorii, tipurile precedente puteau fi accesate doar secvential, adica nu se puteau citi/scrie locatiile de memorie decat in ordinea adreselor lor. Acest tip de memorie oferea, insa, posibilitatea de a se citi locatii de memorie de la orice adresa dorita, fara a se parcurge un sir intreg de locatii pana la ea.
        Dar mai corecta ar fi, pentru acest tip de memorii, denumirea de memorii RWM (folosita uneori), care inseamna Read-Write Memory si sugereaza calitatea lor cea mai importanta, aceea ca pot fi citite si scrise ori de cate ori este nevoie.
        Asta spre deosebire de memoriile de tip ROM (Read-Only Memory) care pot fi doar citite, iar scrierea lor se poate face numai cu ajutorul unor dispozitive speciale si nu este posibila in timpul utilizarii obisnuite a computerului.
        Revenind la memoriile de tip RAM, acestea au doua variante importante: RAM static (SRAM) si RAM dinamic (DRAM).
        Memoria RAM statica are calitatea ca pastreaza in mod static datele inscrise in ea permanent pe durata alimentarii lor cu electricitate.
        Memoria RAM dinamica, insa, chiar daca este alimentata continuu cu energie electrica, este astfel construita incat pastreaza datele numai pentru o fractiune de secunda, dupa care le pierde.
        Ca sa nu le piarda, un circuit special de reimprospatare (refresh) le "stimuleaza" cu impulsuri, de cateva sute de ori pe secunda.
        Desi memoriile RAM dinamice sunt astfel mult mai complexe si mai lente decat cele statice, totusi costul lor este mult mai redus, astfel incat memoriile RAM dinamice sunt astazi cel mai frecvent intalnite in computere (practic, sunt nelipsite).
Tehnologia memoriilor DRAM a cunoscut o evolutie rapida in ultimii 10 ani.
        Doua mari tipuri de DRAM se disting: asincron si sincron.
        Ca sa explic asta, amintesc ca orice computer este alcatuit din multe circuite electronice care trebuie sa se sincronizeze intre ele pentru ca transferurile si procesarile de date sa functioneze corect.

        Aceasta sincronizare se face cu ajutorul unui circuit de tip ceas. Acesta genereaza semnale cu frecventa constanta, numita frecventa de ceas, fata de care se sincronizeaza majoritatea proceselor din sistem.
        Cele mai vechi memorii DRAM au fost asincrone, adica operatiile de citire/scriere nu erau sincronizate cu frecventa de ceas a sistemului.

        Cu timpul, pentru cresterea vitezei de calcul, circuitele digitale au fost perfectionate si frecventa de ceas a crescut.
        Dar s-a constatat ca memoriile asincrone nu mai functionau prea bine la frecvente de ceas mai mari de 60 MHz.
        De aceea, treptat, memoriile DRAM asincrone au fost inlocuite cu memorii DRAM sincrone, deci care se sincronizeaza cu frecventa de ceas, si care astfel functionau bine si la frecvente superioare.
        Memorii asincrone se mai gasesc azi doar in computerele vechi, cel mult cu procesor 486, functionand la frecvente de pana la 60 MHz.
        Din aceasta categorie sunt mai populare asa-numitele memorii EDO (Extended Data-Out), care pot lucra la frecvente de pana la 75 MHz dar nu mai sus.
        Primele procesoare Pentium inca mai puteau conlucra bine cu memoriile EDO.
        O imbunatatire considerabila a memoriilor asincrone au adus-o in acest moment memoriile BEDO (Burst EDO), dar acestea nu au mai apucat sa se impuna, deoarece Intel incepea sa sustina, in acelasi timp, noua tehnologie a memoriilor DRAM sincrone.
SDRAM inseamna Synchronous Dynamic RAM, si a reprezentat un mare pas inainte in tehnologia memoriilor, deoarece memoriile SDRAM functioneaza constant bine si la frecvente de ceas superioare celor la care memoriile DRAM asincrone dadeau rateuri.
        Dar memoriile SDRAM au introdus si o noua caracteristica a memoriilor, aceea de viteza de functionare relativa la viteza magistralei sistemului.
        Din cauza functionarii sale sincrone cu frecventa de ceas, o memorie SDRAM trebuie sa fie suficient de rapid ca sa poata comunica bine pe magistrala sistemului (system bus).
        Din acest motiv, devine tot mai importanta corelarea intre viteza memoriilor si viteza magistralei sistemului, pentru o buna functionare a computerului.
        Din acest punct de vedere, primele memorii SDRAM fusesera concepute pentru magistrale lente, de 66 MHz, dar cand au aparut computere cu magistrale de 100 MHz, acele memorii lente n-au facut fata.
        O noua generatie de memorii SDRAM a fost conceputa atunci, cu specificatia PC100, adica pentru magistrala de 100 MHz. Apoi a urmat specificatia PC133, pentru magistrale de 133 MHz.
        In ultimii ani, cresterea vitezelor pe magistrale a impus dezvoltarea de noi tipuri memorii, mai rapide.
        Asa a aparut tehnologia DDR SDRAM (de la Double Data Rate SDRAM, uneori numita mai scurt, DDRAM) care dubleaza viteza transferurilor de date prin folosirea mai eficienta a ciclilor-masina, transferurile fiind declansate atat pe panta ascendenta cat si pe cea descendenta a semnalului de ceas (inainte, numai una dintre aceste pante era folosita pentru declansarea transferurilor).
        Fara sa intru in detalii, pot spune ca memoriile DDR SDRAM, se bazeaza, fata de SDRAM, pe aceeasi imbunatatire folosita de tehnologia AGP fata de mai vechea tehnologie PCI pentru magistrale de sistem.
        Aceasta imbunatatire a permis aparitia rapida a unor tipuri de memorie si mai performante. De prin 1998, mare batalie se duce intre doua tehnologii avansate care preiau acelasi principiu de declansare a transferurilor pe ambele pante ale ciclului de ceas, introdusa de tehnologia DDR SDRAM.
        Unul dintre ele se numeste SLDRAM (de la Synchronous-Link DRAM) si are avantajul ca nu necesita modificarea arhitecturii actuale a computerelor.
        Dezvoltata ca un nou standard de catre un grup de companii care lucreaza la imbunatatirea performantelor memoriilor SDRAM pe arhitectura deja existenta, SLDRAM este o tehnologie constituita si ca standard deschis, putand fi folosita liber de oricine doreste. Initial, aceasta a fost construita pentru o magistrala de 64 de biti functionand la 200 MHz, si teoretic poate atinge o viteza de transfer de 3.2 GB/s.
        Cealalta este standardul sustinut de alte companii, printre care si Intel, si numit DRDRAM (de la Direct Rambus DRAM) sau, mai scurt, RDRAM.
        Desi are performante inferioare fata de SLDRAM, aceasta este sustinuta si pentru ca aduce o adevarata revolutie in arhitectura computerelor, urmarita in strategiile pe termen lung pentru evolutia sistemelor computerizate.
        Bazata initial pe o magistrala de 16 biti lucrand la 400 MHz, DRDRAM functioneaza mai degraba ca o magistrala de date decat ca un sistem conventional de memorie, si atinge o viteza de 1.6 GB/s.
        Tehnologia DRDRAM este utilizabila numai sub licenta, si implica prezenta unui modul special numit RIMM (Rambus Inline Memory Module).
        Performantele procesoarelor Pentium 4 impun, in ultima vreme, folosirea lor impreuna cu memorii DRDRAM.
     NOTA :
        ►DIMM este un termen referitor la forma placutelor de memorie, si toate computerele moderne suporta placute DIMM.
        Valoarea in MB indica volumul de memorie oferit.
        Partea cu PC urmat de un numar arata frecventa magistralei sistemului pentru care a fost proiectata sa functioneze memoria respectiva.
        Cand se cumpara memorii, trebuie cautate acele tipuri de memorie care vor functiona bine impreuna cu placa de baza si procesorul sistemului, deci parametrii memoriilor trebuie corelati cu parametrii acestor componente importante ale sistemului.

---