Микросхемы SDRAM: Физическая организация и принцип работы
Теоретические основы современной оперативной памяти
SDRAM: Определение
Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом. Остановимся подробнее на каждом из этих определений. Под «синхронностью» обычно понимается строгая привязка управляющих сигналов и временных диаграмм функционирования памяти к частоте системной шины. Вообще говоря, в настоящее время изначальный смысл понятия синхронности становится несколько условным. Во-первых, частота шины памяти может отличаться от частоты системной шины (в качестве примера можно привести уже сравнительно давно существующий «асинхронный» режим работы памяти DDR SDRAM на платформах AMD K7 с чипсетами VIA KT333/400, в которых частоты системной шины процессора и шины памяти могут соотноситься как 133/166 или 166/200 МГц). Во-вторых, ныне существуют системы, в которых само понятие «системной шины» становится условным — речь идет о платформах класса AMD Athlon 64 с интегрированным в процессор контроллером памяти. Частота «системной шины» (под которой в данном случае понимается не шина HyperTransport для обмена данными с периферией, а непосредственно «шина» тактового генератора) в этих платформах является лишь опорной частотой, которую процессор умножает на заданный коэффициент для получения собственной частоты. При этом контроллер памяти всегда функционирует на той же частоте, что и сам процессор, а частота шины памяти задается целым делителем, который может не совпадать с первоначальным коэффициентом умножения частоты «системной шины». Так, например, режиму DDR-333 на процессоре AMD Athlon 64 3200+ будут соответствовать множитель частоты «системной шины» 10 (частота процессора и контроллера памяти 2000 МГц) и делитель частоты памяти 12 (частота шины памяти 166.7 МГц). Таким образом, под «синхронной» операцией SDRAM в настоящее время следует понимать строгую привязку временных интервалов отправки команд и данных по соответствующим интерфейсам устройства памяти к частоте шины памяти (проще говоря, все операции в ОЗУ совершаются строго по фронту/срезу синхросигнала интерфейса памяти). Так, отправка команд и чтение/запись данных может осуществляться на каждом такте шины памяти (по положительному перепаду — «фронту» синхросигнала; в случае памяти DDR/DDR2 передача данных происходит как по «фронту», так и по отрицательному перепаду — «срезу» синхросигнала), но не по произвольным временным интервалам (как это осуществлялось в асинхронной DRAM).
Понятие «динамической» памяти, DRAM, относится ко всем типам оперативной памяти, начиная с самой древней, «обычной» асинхронной динамической памяти и заканчивая современной DDR2. Этот термин вводится в противоположность понятия «статической» памяти (SRAM) и означает, что содержимое каждой ячейки памяти периодически необходимо обновлять (ввиду особенности ее конструкции, продиктованной экономическими соображениями). В то же время, статическая память, характеризующаяся более сложной и более дорогой конструкцией ячейки и применяемая в качестве кэш-памяти в процессорах (а ранее — и на материнских платах), свободна от циклов регенерации, т.к. в ее основе лежит не емкость (динамическая составляющая), а триггер (статическая составляющая).
Наконец, стоит также упомянуть о «памяти с произвольным доступом» — Random Access Memory, RAM. Традиционно, это понятие противопоставляется устройствам «памяти только на чтение» — Read-Only Memory, ROM. Тем не менее, противопоставление это не совсем верно, т.к. из него можно сделать вывод, что память типа ROM не является памятью с произвольным доступом. Это неверно, потому как доступ к устройствам ROM может осуществляться в произвольном, а не строго последовательном порядке. И на самом деле, наименование «RAM» изначально противопоставлялось ранним типам памяти, в которых операции чтения/записи могли осуществляться только в последовательном порядке. В связи с этим, более правильно назначение и принцип работы оперативной памяти отражает аббревиатура «RWM» (Read-Write Memory), которая, тем не менее, встречается намного реже. Заметим, что русскоязычным сокращениям RAM и ROM — ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), соответственно, подобная путаница не присуща.
Микросхемы SDRAM: Физическая организация и принцип работы
Общий принцип организации и функционирования микросхем динамической памяти (DRAM) практически един для всех ее типов — как первоначальной асинхронной, так и современной синхронной. Исключение составляют разве что экзотические варианты, тем не менее, существовавшие еще до появления SDRAM, вроде Direct Rambus DRAM (DRDRAM). Массив памяти DRAM можно рассматривать как матрицу (двумерный массив) элементов (строго говоря, это понятие относится к логическому уровню организации микросхемы памяти, рассмотренному в следующем разделе, но его необходимо ввести здесь для наглядности), каждый из которых содержит одну или несколько физических ячеек (в зависимости от конфигурации микросхемы), способных вмещать элементарную единицу информации — один бит данных. Ячейки представляют собой сочетание транзистора (ключа) и конденсатора (запоминающего элемента). Доступ к элементам матрицы осуществляется с помощью декодеров адреса строки и адреса столбца, которые управляются сигналами RAS# (сигнал выбора строки — Row Access Strobe) и CAS# (сигнал выбора столбца — Column Access Strobe).
Из соображений минимизации размера упаковки микросхемы, адреса строк и столбцов передаются по одним и тем же адресным линиям микросхемы — иными словами, говорят о мультиплексировании адресов строк и столбцов (упомянутые выше отличия в общих принципах функционирования микросхем DRDRAM от «обычных» синхронных/асинхронных DRAM проявляются, в частности, здесь — в этом типе микросхем памяти адреса строк и столбцов передаются по разным физическим интерфейсам). Так, например, 22-разрядный полный адрес ячейки может разделяться на два 11-разрядных адреса (строки и столбца), которые последовательно (через определенный интервал времени, см. раздел «Тайминги памяти») подаются на адресные линии микросхемы памяти. Одновременно со второй частью адреса (адреса столбца) по единому командно-адресному интерфейсу микросхемы SDRAM подается соответствующая команда (чтения или записи данных). Внутри микросхемы памяти адреса строки и столбца временно сохраняются в буферах (защелках) адреса строки и адреса столбца, соответственно.
Важно заметить, что с динамической матрицей памяти связан особый буфер статической природы, именуемый «усилителем уровня» (SenseAmp), размер которого равен размеру одной строки, необходимый для осуществления операций чтения и регенерации данных, содержащихся в ячейках памяти. Поскольку последние физически представляют собой конденсаторы, разряжающиеся при совершении каждой операции чтения, усилитель уровня обязан восстановить данные, хранящиеся в ячейке, после завершения цикла доступа (более подробно участие усилителя уровня в цикле чтения данных из микросхемы памяти рассмотрено ниже).
Кроме того, поскольку конденсаторы со временем теряют свой заряд (независимо от операций чтения), для предотвращения потери данных необходимо периодически обновлять содержимое ячеек. В современных типах памяти, которые поддерживают режимы автоматической регенерации (в «пробужденном» состоянии) и саморегенерации (в «спящем» состоянии), обычно это является задачей внутреннего контроллера регенерации, расположенного непосредственно в микросхеме памяти.
Схема обращения к ячейке памяти в самом общем случае может быть представлена следующим образом:
1. На адресные линии микросхемы памяти подается адрес строки. Наряду с этим подается сигнал RAS#, который помещает адрес в буфер (защелку) адреса строки.
2. После стабилизации сигнала RAS#, декодер адреса строки выбирает нужную строку, и ее содержимое перемещается в усилитель уровня (при этом логическое состояние строки массива инвертируется).
3. На адресные линии микросхемы памяти подается адрес столбца вместе с подачей сигнала CAS#, помещающего адрес в буфер (защелку) адреса столбца.
4. Поскольку сигнал CAS# также служит сигналом вывода данных, по мере его стабилизации усилитель уровня отправляет выбранные (соответствующие адресу столбца) данные в буфер вывода.
5. Сигналы CAS# и RAS# последовательно дезактивируются, что позволяет возобновить цикл доступа (по прошествии промежутка времени, в течение которого данные из усилителя уровня возвращаются обратно в массив ячеек строки, восстанавливая его прежнее логическое состояние).
Так выглядела реальная схема доступа к ячейке DRAM в самом первоначальном ее варианте, реализованном еще до появления первых реально используемых микросхем/модулей асинхронной памяти типа FPM (Fast Page Mode) DRAM. Тем не менее, нетрудно заметить, что эта схема является достаточно неоптимальной. Действительно, если нам требуется считать содержимое не одной, а сразу нескольких подряд расположенных ячеек, отличающихся только адресом столбца, но не адресом строки, то нет необходимости каждый раз подавать сигнал RAS# с одним и тем же адресом строки (т.е. выполнять шаги 1-2). Вместо этого, достаточно удерживать сигнал RAS# активным на протяжении промежутка времени, соответствующего, например, четырем последовательным циклам чтения (шаги 3-4, с последующей дезактивацией CAS#), после чего дезактивировать сигнал RAS#. Именно такая схема применялась в асинхронной памяти типа FPM DRAM и более поздней EDO (Enhanced Data Output) DRAM. Последняя отличалась опережающей подачей адреса следующего столбца, что позволяло достичь меньших задержек при операциях чтения.
В современных микросхемах SDRAM схема обращения к ячейкам памяти выглядит аналогично. Далее, в связи с обсуждением задержек при доступе в память (таймингов памяти), мы рассмотрим ее более подробно.