1 MEMORIA CALCULATORULUI


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, prin acest articol ne  propunem o scurta  descriere a modului de functionare pentru cele mai raspindite  memorii  existente pe piata cit si avantajele/dezavantajele tehnologiilor  existente.
      Clasificare, memoriile utilizate  in PC se clasifica  in doua categorii :
•    ROM (Read Only  Memory) acest tip 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 cind 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 raspindiri 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  cuvint (word). Constructiv, din motive ce tin de design, celulele  de memorie sint 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.
    

1 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 sint 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 sint 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 cite doua?
       Acest lucru se intimpla datorita  procesorului, care are  nevoie de 16 biti pentru a umple magistrala de date,  avind 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 decit latimea  magistralei pentru date, urmatoarele cuvinte  sint 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 sint 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  sint 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.