Устройство и принципы функционирования оперативной памяти

Ядро микросхемы динамической памяти состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками, а вертикальные — столбцами, или страницами.

Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится ячейки — несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора.

Конденсатору отводится роль непосредственного хранителя информации. Правда, хранит он очень немного — всего один бит. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие — логической единице. Транзистор же играет роль «ключа», удерживающего конденсатор от разряда. В спокойном состоянии транзистор закрыт, но, стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, как спустя мгновение-другое (конкретное время зависит от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом.

Чувствительный усилитель (sense amp), подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Именно страница является минимальной порцией обмена с ядром динамической памяти. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможно. Действительно, открытие одной строки приводит к открытию всех, подключенных к ней транзисторов, а, следовательно, — разряду закрепленных за этими транзисторами конденсаторов.

Чтение ячейки деструктивно по своей природе, поскольку sense amp (чувствительный усилитель) разряжает конденсатор в процессе считывания его заряда. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным удельным сопротивлением, заряд стекает очень быстро, ведь количество электронов, накопленных конденсатором на обкладках, относительно невелико. К тому же, ввиду микроскопических размеров, а, следовательно, емкости конденсатора записанная на нем информация хранится крайне недолго, — буквально сотые, а то тысячные доли секунды. Поэтому во избежание потери информации микросхеме памяти вновь приходится перезаписывать считанную строку.

Например, в компьютерах XT/AT регенерация оперативной памяти осуществлялась по таймерному прерыванию каждые 18 мс через специальный канал DMA (контроллера прямого доступа). И всякая попытка остановки аппаратных прерываний на больший срок приводила к потере и/или искажению оперативных данных, да к тому же снижало производительность системы, поскольку во время регенерации память была недоступна. Сегодня же регенератор чаще всего встраивается внутрь самой микросхемы, причем перед регенерацией содержимое обновляемой строки копируется в специальный буфер, что предотвращает блокировку доступа к информации.

В модуле, вместе с микросхемами динамической памяти, обычно установлена и маленькая микросхемка EEPROM (электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство) с последовательным доступом, где хранятся настройки для этого модуля. Это микросхема SPD (Serial Presense Detect) — схема последовательного детектирования.

Для устойчивой работы и безошибочного считывания данных из микросхем необходимо выдержать определенные временные параметры (задержки) между различными управляющими сигналами. В программе конфигурации SETUP компьютера имеется возможность настройки параметров памяти — как автоматически (опция «By SPD»), так и вручную.

В случае автоматической настройки данные считываются из микросхемы SPD, и это гарантирует устойчивую работу модулей. Ручные настройки могут понадобиться при разгоне (оверклокинге) системы. При этом задержки принудительно уменьшаются.