ROM для ПК

Read-only memory (ROM) - это тип памяти, который может хранить данные перманентно или полуперманентно. Этот тип памяти называется «только для чтения» потому, что записать в неё невозможно или сложно. ROM также часто называют энергонезависимой памятью, потому что любые, хранящиеся в ней данные, остаются там, даже после отключения питания.

ROM для компьютера

Таким образом, ROM - идеальное место для инструкций запуска ПК — то есть, программного обеспечения для загрузки системы.

Обратите внимание, что ROM и RAM не противоположности, как считают некоторые люди. Это просто типы памяти. Фактически, ROM технически может быть классифицирована как подмножество RAM системы. Другими словами, часть произвольно доступного адресного пространства памяти системы, отображается как один или несколько чипов ROM. Она необходима для размещения позволяющего компьютеру загружаться программного обеспечения. В противном случае, у процессора, при включении ПК, в памяти не было бы никакой программы для выполнения.

Основная ROM BIOS содержится в чипе ROM на материнской плате, но она есть и на картах адаптеров. ROM на картах адаптера содержит необходимые для конкретной карты вспомогательные подпрограммы BIOS и драйверы. Особенно для тех карт, которые должны быть активны в начале процесса загрузки, например, видеокарты. Карты, которые не нуждаются в активных во время загрузки драйверах, обычно не имеют ROM, так как эти драйверы могут быть взяты в процессе загрузки позже, с жёсткого диска.

В большинстве современных систем используется тип ROM, который называют электрически стираемым программируемым (EEPROM), что является формой флэш-памяти. Flash - это действительно энергонезависимая память, которая перезаписывается, позволяя пользователям легко обновлять ROM или прошивку на своих материнских платах или любых других компонентах (видеокарты, карты SCSI и т. д.).

DRAM

Динамическая память (DRAM) — тип чипа памяти, который используется как основная память в большинстве современных ПК. Основное преимущество DRAM - компактность, то есть, в маленький чип может быть упаковано много битов, и не высокая цена, что делает доступным покупку большого количества памяти.

Ячейки памяти чипа DRAM - сохраняющие заряд крошечные конденсаторы. Проблема DRAM - её динамичность, то есть содержимое памяти может быть изменено. Каждое нажатие клавиши или каждый щелчок мыши, изменяет содержимое ОЗУ, и все содержимое оперативной памяти, при сбое системы, может быть уничтожено. Кроме того, из-за своей конструкции она должна постоянно обновляться. В противном случае, электрические заряды в отдельных конденсаторах памяти «стекают» и данные теряются. Обновление происходит, когда контроллер памяти системы берет маленький перерыв в обращении ко всем строкам данных в микросхемах памяти.

Стандартный интервал обновления — 15 ms (в миллисекундах), то есть, каждые 15 ms, все строки в памяти автоматически считываются для обновления данных.

К сожалению, обновление памяти отнимает время процессора от других задач, потому что для каждого цикла обновления требуется несколько полных циклов ЦП. В более старых системах цикл обновления мог занимать 10% или более от общего времени процессора. Но в современных, работающих в диапазоне с несколькими гигагерцами системах, обновление служебных данных составляет от общего количества времени CPU порядка доли процента. Некоторые системы позволяют изменить параметры тайминга обновления в настройках CMOS. Время между циклами обновления называется tREF и выражается не в миллисекундах, а в тактовых циклах.

Диалоговое окно периода обновления и другие дополнительные тайминги памяти можно настроить вручную в программе настройки BIOS. Текущий tREF (период обновления) на этой системной плате.

Важно помнить, что ускорение вашей системы за счёт увеличения времени между циклами обновления (tREF), может привести к преждевременному сливу некоторых ячеек памяти, что приведёт к появлению случайных программных ошибок в памяти.

Программная ошибка - ошибка данных, которая вызвана не неисправным чипом. Чтобы избежать программных ошибок, обычно безопаснее придерживаться рекомендуемого или установленного по умолчанию времени обновления. Так как обновление потребляет менее 1% общей пропускной способности современной системы, изменение частоты мало повлияет на производительность. В BIOS Setup для любых таймингов памяти, почти всегда лучше использовать стандартные или автоматические настройки.

Многие современные системы не позволяют изменять тайминги памяти и сами устанавливаются на автоматические настройки. В автоматическом режиме материнская плата считывает параметры синхронизации из установленного на модуле памяти SPD и устанавливает соответствующую скорость циклирования.

DRAM на 1 бит использует только одну пару транзисторов и конденсаторов, что делает их компактными, позволяя большую ёмкость памяти на чип, чем у других типов памяти. В настоящее время чипы DRAM производят с плотностью до 64 Гб (512 Мбайт) на микросхему, причём на одном транзисторе на бит требуется не менее 4 млрд транзисторов. Транзисторов в чипах памяти намного больше, чем в процессорах, потому что в микросхеме памяти, транзисторы и конденсаторы расположены в сетке (обычно квадратной) простых повторяющихся структур, последовательно. В процессоре, который представляет собой гораздо более сложные схемы различных структур, элементы взаимосвязаны в очень нерегулярной форме.

Транзистор, для каждой битовой ячейки DRAM, считывает состояние заряда соседнего конденсатора. Если конденсатор заряжается, ячейка считывается как 1; нет заряда - указывается значение 0. Заряд в крошечных конденсаторах постоянно истощается, поэтому память должна постоянно обновляться. Даже кратковременное прерывание питания, или что-то другое мешающее циклам обновления, может привести к потере заряда в ячейке памяти DRAM и, таким образом, потере данных. Если это происходит в запущенной системе, то может привести к появлению синих экранов, сбою глобальной защиты, повреждению файлов и любому числу сбоёв системы.

DRAM используется в системах ПК, так как это недорого, а сами чипы компактно упакованы, из-за чего в небольшом пространстве может вместиться большая ёмкость памяти. К сожалению, работает DRAM относительно медленно — как правило, намного медленнее, чем процессор. Именно по этой причине, для повышения производительности, было разработано много типов архитектур DRAM.

SRAM

Существует ещё один, хорошо отличимый тип памяти, который значительно быстрее, чем большинство типов DRAM. SRAM, статическое ОЗУ, так названо из-за отсутствия необходимости в периодических частотах обновления, как DRAM. SRAM разработана так, что ей ненужны частоты обновления, к тому же она намного быстрее, чем DRAM и лучше приспособлена к современным процессорам.

У памяти SRAM время доступа 0,25 ns или даже меньше, поэтому она может соответствовать процессорам с тактовой частотой 4 ГГц или быстрее. Это связано с конструкцией SRAM, в которой для каждого бита памяти используется кластер из шести транзисторов. Использование транзисторов, без конденсаторов, означает, что частоты обновления не нужны, так как конденсаторы, с течением времени, не теряют свои заряды. Пока есть питание, SRAM запоминает, что хранится.

С такими характеристиками, почему мы не используем SRAM для всей системной памяти? Ответ прост.

По сравнению с DRAM - SRAM намного быстрее, но также значительно менее компактны и намного дороже. Более низкая компактность означает, что микросхемы SRAM физически крупнее и в целом хранят меньшее число бит. Большое количество транзисторов и кластеризованный дизайн означают, что чипы SRAM физически больше и намного дороже, чем чипы DRAM. Например, компактный чип DRAM может хранить 4 ГБ (512 МБ) оперативной памяти, в то время как аналогичного размера микросхемы SRAM только до 72 МБ (9 МБ). Высокая стоимость и физические ограничения, мешают использованию SRAM как основной памяти для ПК систем.

Сравнение DRAM и SRAM

Тип	Скорость	Компактность	Цена
DRAM	Низкая	Высокая	Низкая
SRAM	Быстрая	Низкая	Высокая

Несмотря на то, что использование SRAM в качестве основной памяти непрактично, дизайнеры ПК нашли способ как с её помощью существенно улучшить производительность компьютера. Вместо того, чтобы тратить деньги на память SRAM как всю RAM, они проектируют высокоскоростную SRAM-память в небольшом количестве, и используют её в качестве кэш-памяти, что намного экономичнее. Кэш SRAM работает на близких или даже равных процессору скоростях, и является памятью, из которой процессор обычно непосредственно считывает и записывает. Во время операций чтения данные в высокоскоростную кэш-память загружаются из низкоскоростной основной памяти или DRAM.

Память работает быстрее, чем 1 ГГц (1 ns), но вплоть до конца 1990-х, была ограничена в скорости 60 ns DRAM (16 МГц). До тех пор, пока процессоры работали на скоростях ниже 16 МГц, доступная DRAM полностью соответствовала процессору и материнской плате, то есть, кеш был не нужен. Однако как только процессоры пересекли барьер в 16 МГц, доступная DRAM больше не смогла им соответствовать, и на PC системы стала поступать SRAM кэш. Поскольку кэш может работать на скорости процессора, он действует в системе как буфер между процессором и медленной DRAM. Кэш-контроллер отслеживает потребности памяти процессора и загружает высокоскоростную кэш-память данными.

Затем, когда процессор обращается к памяти, данные извлекаются из высокоскоростного кеша, а не из более медленной основной памяти.

Эффективность кеша выражается успешными обращениями. Это коэффициент успешных обращений к кэшу среди общего доступа к памяти. Успешное обращение происходит тогда, когда, необходимые процессору данные, предварительно загружены из основной памяти в кеш, то есть, процессор может читать их из кеша. Ошибка кеша - это когда его контроллер не ожидал необходимости в конкретном адресе, и требуемые данные не были предварительно загружены в кеш. В этом случае, процессору необходимо извлечь данные из более медленной, чем быстрый кэш, основной памяти.

Каждый раз, когда процессор считывает данные из основной памяти, процессор ждёт дольше, потому что основная память работает намного медленнее, чем процессор. Например, если процессор со встроенным кешем работает на частоте 3,6 ГГц (3,600 МГц) и шине с частотой 1,333 МГц, процессор и интегральный кэш будут циклически работать на частоте 0,28 ns. Тогда как основная память, скорее всего, будет работать почти в пять раз медленнее на 1,333 МГц (0,75 ns). Таким образом каждый раз, когда 3,6 ГГц процессор считывает данные из основной памяти, он эффективно использует только 1, 333 МГц. То есть, процессор находится в так называемом состоянии ожидания, цикле, в котором ничего не делается. Процессор по существу охлаждается, ожидая, пока медленная основная память вернёт нужные ему данные. Очевидно, что никто не хочет, чтобы процессоры простаивали, поэтому по мере увеличения скорости системы, функция кеширования и дизайн становятся более важными.

Для того, чтобы свести к минимуму необходимость чтения данных из основной памяти процессора, обычно, в современной системе существует два или три уровня кэша, которые называются 1-ый уровень (L1), 2-ой уровень (L2) и 3-ий уровень (L3).

L1 кэш также называется интегрированным или внутренним кэшем, потому, что он встроен непосредственно в процессор как часть кристалла процессора. По этому, кеш L1 всегда работает на полной скорости ядра процессора и является самым быстрым кешем в любой системе. Все 486 процессоры и выше включают составной кэш L1, что делает их значительно быстрее предшественников.

Кэш L2 первоначально назывался внешним кешем, так как, когда он впервые появился, по отношению к процессору он был внешним. Первоначально это означало, что он был установлен на материнской плате, как в случае со всеми 386, 486 и Pentium системами первого поколения. В этих системах кэш L2, поскольку он установлен на материнской плате и подключён к шине CPU, работает на уровне материнской платы и скорости шины ЦП. В Pentium и более ранних системах, обычно вы найдёте кэш L2 физически рядом с разъёмом процессора.

В интересах повышения производительности более поздние версии процессоров от Intel и AMD включили кэш L2 как часть процессора. Во всех процессорах с конца 1999 года (и некоторых более ранних моделях) кэш L2, как и кэш L1, напрямую часть процессора. В чипах с матрицей L2 кеш работает на полной скорости ядра процессора и намного эффективнее.

Третий уровень или кэш L3, присутствует в процессорах с 2001 года. Первым процессором для настольного ПК с кешем L3 был Pentium 4 Extreme Edition, высококачественный чип, выпущенный в конце 2003 года с 2 МБ кэша L3 на кристалле. В то время казалось, что это только начало широкого распространения в настольных процессорах L3 кеша, но более поздние версии Pentium 4 Extreme Edition (а также его преемник, Pentium Extreme Edition) отказались от L3 кеша, используя вместо него увеличенный кеш L2. Кэш L3 вернулся в ПК-процессоры в 2007 году на AMD Phenom, а в 2008 году Intel Core i7, оба на одном кристалле имеют четыре ядра.

L3 особенно подходит для многоядерных процессоров, так как обеспечивает кеш-память, которой могут делиться все ядра.

С 2009 года кеш-память L3 используется в большинстве процессоров с двумя или более ядрами. На рисунке ниже показана конфигурация кэша L1/L2/L3, по отчёту CPU-Z (www.cpuid.com) для процессора Intel Core i5-3570K.

Скриншоты CPU-Z, показывающие информацию о процессоре/кэше для процессора Intel Core i5-3570K.

Стандарты памяти

Для того, чтобы память была дешёвой и взаимозаменяемой, как для чипов, так и для модулей, были разработаны отраслевые спецификации. Большинство промышленных чипов и модулей создала "Объединённая ассоциация технических инженеров по электронике (JEDEC)".

JEDEC - это орган по стандартизации полупроводниковой техники, входящий в состав Electronic Industries Alliance (EIA), торговой ассоциации, которая представляет все области электронной промышленности. JEDEC - это около 300 компаний-членов, в том числе производители памяти, чипсетов и процессоров и практически любая компания участвует в производстве компьютерной техники с использованием стандартных компонентов.

Идея JEDEC проста: все производители памяти работают вместе, создавая общие отраслевые стандарты, охватывающие чипы памяти и модули. Утверждённые JEDEC стандарты памяти свободно делятся между всеми компаниями-членами, и ни одна из компаний не имеет контроля над данным стандартом или любой из компаний, производящих совместимые компоненты. FPM, SDRAM, DDR, DDR2, DDR3 и DDR4 SDRAM - примеры используемой в ПК памяти стандартов JEDEC, тогда как EDO и RDRAM собственные примеры. Узнать больше о стандартах JEDEC для памяти и других полупроводниковых технологий вы можете на www.jedec.org.

Из-за колебаний скорости (времени), напряжения и других проблем покупка соответствующей правильному отраслевому стандарту памяти, не гарантирует, что она будет работать в данной системе. Всегда следите за тем, чтобы приобретённая вами память работала с вашей системой или если это не так, вы могли бы получить возмещение или замену. Несмотря на то, что существуют, позволяющие использовать модули из разных источников для данной системы отраслевые стандарты, рекомендуется искать модули памяти, которые система или производитель памяти одобрили для этой системы. Часто, список утверждённых модулей или поставщиков вы можете найти в документации по системе или на веб-сайте производителя системы или модуля памяти.