Paměti Vnitřní paměti a jejich rozdělení

Vnitřní paměti jsou ty, které jsou umístěny na základní desce mikropočítače nebo počítače. Polovodičové paměti lze dělit z mnoha různých hledisek z nichž nejužívanější jsou kriteria : přístup k buňkám paměti možnost změny dat (zápisu) princip realizace paměťové buňky technologie organizace paměti

Přístup k buňkám paměti Z hlediska přístupu k buňkám paměti při čtení či zápisu se dělí na : paměti s libovolným přístupem RAM (Random Access Memory) se seriovým přístupem SAM (Serial Access Memory) paměti se speciálním přístupem k paměťové buňce, které se realizují z pamětí RAM doplněných speciální logikou. Jsou to zejména : - paměti adresovatelné obsahem - CAM (Content Addressable Memory) paměti typu zásobník či sklípková paměť nebo LIFO (Last In First Out - poslední dovnitř, první ven)

Změna dat Paměti lze rozdělit na 2 základní druhy : paměti RWM (Read/Write Memory), které lze používat pro čtení i záznam dat za běžného provozu v počítači. Jak záznam tak i čtení trvají většinou řádově stejně dlouho při stejných podmínkách paměti. Jejich nevýhodou je, že při vypnutí napájení jejich obsah mizí - jsou "volatilní" (volatile). pevné paměti typu ROM (Read Only Memory), ze kterých lze za provozu jen číst data do nich dříve uložená. Bývají většinou typu RWM (s libovolným přístupem). Typ se však pro přehlednost zápisu nepoužívá. Data v nich uložená při výpadku napájení nemizí - jsou "nevolatilní" (unvolatile).

Princip realizace paměťové buňky Možnosti rozdělení jsou rozsáhlé a proto se rozdělení omezuje na: paměti statické ve kterých je paměťová buňka tvořena bistabilním klopným obvodem paměti dynamické, u kterých je hlavním nositelem paměťové vlastnosti parazitní kapacita. Tato kapacita je obvykle kapacita řídící elektrody tranzistoru MOSFET, ale její obsah je nutno vzhledem ke svodům periodicky obnovovat speciálními obvody - tzv. refresh.

Technologie Paměti se dělí dle technologie na paměti feritové a polovodičové. Technologie používané pro polovodičové paměti se dělí dále zásadně na : bipolární unipolární

Bipolární technologie Dělí se dále na technologii: TTL ECL

Technologie TTL Jsou to technologie TTL, STTL, LSTTL, ALSTTL. Technologie TTL je nejstarší a používala se díky jedinému napájení, vysokému logickému zisku a rychlosti. V této technologii byly realizovány paměti s integrací MSI (16 a 64 bitů). Další varianty jsou též technologie TTL u kterých se podařilo dosáhnout příznivějšího poměru mezi rychlostí a příkonem. Stalo se tak použitím tranzistorů s antisaturačními Schottkyho diodami a lepšími technologickými postupy. Jedná se vždy o potřebné velmi rychlé paměti.

Technologie ECL Mimořádně rychlé paměti též malé integrace se dosahuje technologií ECL (Emitor Coupled Logic). U této logiky je zpoždění ns, protože emitorově vázané tranzistory pracují výhradně v aktivní oblasti. Přístupová doba u ECL pamětí je cca 5 ns, jsou ale potřebná 2 napájecí napětí. Navíc tyto obvody nejsou slučitelné s obvody TTL. Používá se jich hlavně pro stavbu velmi rychlých počítačů.

Unipolární technologie Základem všech unipolárních paměťových obvodů je tranzistor řízený polem typu MOS a jednotlivé unipolární technologie se odlišují typem kanálu tranzistoru, obvodovým řešením, použitými materiály, výrobními postupy atd.

Organizace paměti Údaj, že paměť má na příklad 16 kbit nám zcela nic neříká. Paměti se totiž vyrábí s různou organizací. Na příklad již zmíněná paměť 16 kbit může být zcela běžně vyrobena jako : 1 bit x 16 k adres 4 bity x 4 k adres 8 bitů x 2 k adres Proto je nutno znát organizaci paměti, abychom mohli sestavit paměť s potřebnou délkou slova (8, 16, 32, 64 bitů atd.).

Paměti typu ROM

Paměti ROM Informace v nich zapsané jsou dány při výrobě maskou. Jedná se o paměti unipolární. Paměť je tvořena tak, že na průsečíku adresových linek X a Y je buď tranzistor vytvořený tenkou vrstvou, nebo funkčně nahrazen vytvořením tlusté vrstvy kysličníku hlinitého, který odděluje řídící elektrodu. Nahrazení tranzistoru tlustou izolační vrstvou vyžaduje velké prahové spínací napětí. Je- li tenká vrstva a tranzistor adresován výběrovým signálem, pak tranzistor sepne a proud přes něj teče na nulový potenciál. Výstupní napětí má úroveň L. U tlusté vrstvy nedojde k sepnutí vzhledem k malé intenzitě elektrického pole a výstupní úroveň je H.

Rezistor je realizovaný v unipolární technologii tranzistorem. Slabá izolační vrstva při příchodu signálu od výběrového logického členu (adresy) otevře přechod a proud protéká na nulový potenciál, výstupní signál má úroveň L. Silná izolační vrstva při příchodu signálu od výběrového logického členu neotevře přechod a výstupní signál má úroveň H.

Paměti PROM Jsou to programovatelné paměti ROM, které se označují PROM (Programable ROM), které se vyrábějí informačně prázdné a uživatel do nich zapisuje data elektricky - programuje je. Jedná se o paměti bipolární, které mají velikost až několik tisíc bitů.

U takovýchto pamětí jsou v emitorech víceemitorových tranzistorů tavné pojistky, kterými se odpojí tranzistor od obvodu a dovolí se naprogramování paměti buď výrobcem nebo uživatelem. Přístup do paměti zajišťuje výběrový obvod adresy slova a to 6 bity A, B, C, D, E, F. Po dekódování se objeví příslušné slovo 1 až 64, které je vedeno na vstupy výstupních tranzistorů T V0 až T V7. Programování se provádí vždy při krátkodobém zvýšení napájecího napětí.

Paměti EPROM Jsou to reprogramovatelné paměti ROM označované EPROM (Errassable PROM). Jsou to vlastně paměti PROM u kterých se naprogramování dá vymazat na příklad ultrafialovým zářením. Poté se dá paměť naprogramovat znova. Tyto unipolární paměti jsou založeny na principu paměťové buňky FAMOS. Náboj vzniká injekcí elektronů do řídící elektrody napětím větším než cca V. Náboj elektrody se nemůže v reálném čase vybít, protože elektroda je izolována vrstvou kysličníku křemičitého. K výmazu informace lze použít buď osvětlení UV světlem kdy procházející fotoelektrické proudy odstraní náboj z řídící elektrody, nebo zářením s intenzitou J/kg.

Je-li izolované hradlo nabito zápornými náboji, vytváří se pod ním vodivý kanál a výstupní signál má úroveň L. Pokud hradlo není nabito, kanál neexistuje, dráha kolektor-emitor neexistuje a výstupní signál má úroveň H. Ekvivalent tohoto obvodu je na tomto spodním obrázku.

Vlevo - Ukázka realizace paměti EPROM Vpravo – Detail paměťové buňky

Ukázka paměťové jednotky s pamětí EPROM (průmyslová stavebnice)

Paměti EEPROM Elektricky reprogramovatelné paměti ROM označujeme EEPROM nebo E 2 PROM (Electrically EPROM). Tyto paměti tvoří prakticky přechod mezi pamětí RWM RAM a ROM. Používají se v podstatě jako paměti ROM ke čtení, ale počítač má možnost data i za provozu měnit (el. impulsem). Toto je však možné jen ve speciálním režimu t.j. za jiných napájecích napětí. Záznam je ale pomalejší než čtení cca o řád.

Flash EPROM Je to druh EEPROM, který má velmi krátké doby zápisu i čtení. Zápis se provádí napětím z napájení +5V, takže není třeba větších napětí jako u předchozích typů. S těmito pamětmi lze pracovat v počítači v běžném provozu. Stojí vlastně na rozhraní mezi pamětí ROM a RWM RAM.

Statické polovodičové paměti RWM RAM Statické paměti RWM RAM jsou tvořeny buňkami z bistabilních klopných obvodů. Mohou být jak bipolární tak unipolární.

Statické unipolární paměti (SRAM - Static RAM RWM) Základem statických unipolárních pamětí je paměťová buňka složená z klopného obvodu a většinou ze 4 adresových spínačů. Vlastní klopný obvod je tvořen tranzistory T 1 a T 2. Adresové spínače jsou tvořeny tranzistory T 3 až T 6 a připínají paměťovou buňku k bitovým vodičům. Předpokládejme, že tranzistory jsou vodivosti N.

V klidovém stavu je na adresovém vodiči signál L a tranzistory T 3 až T 6 jsou zavřeny Zápis je prováděn tak, že na příslušné adresové vodiče se přivede signál H a na některý z obou bitových vodičů signál L. Je-li například bod 1 ve stavu H a přivede-li se na bitovou linku 0 signál L, pak bude přes tranzistory T 3 a T 5 napětí v tomto bodě 1 nulové.

Stav paměťové buňky se zjišťuje jednotkovým impulsem na adresových vodičích, kterým se opět přes tranzistory T 3 a T 6 připojí klopný obvod k bitovým vodičům. Oba tyto bitové vodiče jsou připojeny na kladné napětí. Příslušným otevřeným tranzistorem se podle stavu klopného obvodu odpovídající bitový vodič připojí na zem a procházejícím proudem se indikuje stav H.

Při čtení je však nutné zajistit, aby velikost napětí U CE otevřeného tranzistoru byla menší než spínací prahové napětí zavřeného tranzistoru, což je podmínkou nedestruktivního čtení. Doba zápisu do buňky je proti době čtení delší o nabíjení parazitních kapacit klopného obvodu.

Rychlost čtení je dána použitím tranzistorů v dekodéru, a to buď pomalých (unipolárních) nebo rychlých (bipolárních). Rozdíl v rychlosti čtení je cca 10x.

Dynamické paměti (DRAM - Dynamic RAM RWM) 3tranzistorová paměťová buňka Základem dynamické paměti z unipolárních tranzistorů je dynamická buňka, nikoliv klopný obvod, protože tento představuje zbytečnou redundanci (nadbytečnost). K záznamu informace se využívá kapacita řídící elektrody tranzistoru, obdobně jako u posuvných registrů typu MOS.

Princip činnosti je následující. Adresovým impulsem přivedeným na elektrodu zapisovacího tranzistoru T1 se tento tranzistor otevře a podle zapisované informace se kapacita přechodu paměťového tranzistoru T3 buď nabije nebo vybije. Tím se paměťový tranzistor dostane do požadovaného stavu.

Při čtení informace se zjišťuje stav paměťového tranzistoru jednotkovým impulsem na adresovém čtecím vodiči. Protože však nelze odstranit zbytkové a svodové proudy, je nutné k zachování informace v pravidelných intervalech obnovovat náboj na elektrodě paměťového tranzistoru. Doba trvání těchto obnovovacích impulsů je řádově 1 m s a intervaly mezi nimi řádově milisekundy. Po dobu trvání obnovování náboje je nutné blokovat činnost čtecích a zapisovacích obvodů.

K obnovování informací však dochází též automaticky při výběru řádku, ve kterém buňka leží. Při cyklu refresh se pak tyto řádky vynechávají, čímž se zkracuje obnovovací cyklus.

4tranzistorová paměťová dynamická buňka Na adresový vodič se přivede signál, kterým se uvolní přístup k paměťové buňce. Bitovými linkami se provede buď přečtení nebo zápis do této paměťové buňky. Pokud se provádí zápis, pak se nejprve přivede na elektrodu tranzistoru, který má být zavřen signál L a poté na elektrodu druhého tranzistoru H.

Místo kolektorových rezistorů tohoto klopného obvodu slouží parazitní kapacita. Protože však nelze odstranit zbytkové a svodové proudy, je nutné k zachování informace v pravidelných intervalech obnovovat náboj na elektrodě paměťového tranzistoru. Doba trvání těchto obnovovacích impulsů je řádově 1 μs a intervaly mezi nimi řádově milisekundy. Po dobu trvání obnovování náboje je nutné blokovat činnost čtecích a zapisovacích obvodů.

Porovnání statických a dynamických pamětí Statické paměti jsou složitější a proto nedosahují takových kapacit jako paměti dynamické. Lze však bez omezení z nich číst nebo zapisovat. Toto není možné u pamětí dynamických, kde je přístup do paměti v době obnovování informace (refresh) zakázán.

Paměti MRAM Spintronika zvětšila kapacitu pevných disků 50x s výhledem na zvýšení až 1000x. Obdobně lze tento jev aplikovat na operační paměti tzv. magnetické RAM (MRAM), které budou spojovat výhody disků, pamětí flash a RAM. Spinotronika je spinová elektronika nebo též magnetoelektronika, která používá vedle náboje elektronů k záznamu i spin. Spin má určitý nenulový magnetický moment projevující se v přítomnosti magnetického pole a je schopen s ním silově reagovat. Spiny mají jen 2 polohy (rotace jedním či druhým směrem), což lze prezentovat jako úroveň L a H.

Základ paměťových čipů je založen na kombinaci 2 kovových feromagnetických vrstev oddělených od sebe tenkou isolační vrstvou. Uplatňuje se zde kvantové tunelování, kdy prvek propouští proud jen v případě, pokud jsou magnetické polarizace obou feromagnetických vrstev souhlasné (H). Při opačné orientaci vrstev proud neprochází (L). Na obrázku je takovýto realizovaný čip MRAM.

Pokusně se již podařilo vyrobit takovéto paměti s hustotou bitů na čtvereční palec. Jejich výhodou je, že i po vypnutí napájení neztrácí svůj obsah. Z toho by pak vyplývalo, že by u počítačů při zapnutí odpadalo bootování. Na obrázku je holograficky zviditelněné magnetické pole MRAM.

Málo používané typy pamětí

Feritové paměti Feritové paměti jsou založeny na principu zmagnetování feromagnetické látky (feritu). Jsou typu RWM RAM. Jejich velkou výhodou je, že jsou nevolatilní. Nevýhodou je jejich velikost. Dlouhou dobu to byly vlastně jediné dostupné paměti. V současné době se používají jen pro speciální účely.

Detailní obrázek tkané feritové paměti

Ukázka malé jednoduché feritové paměti

Bubnové paměti Magnetický materiál byl nanesen na nemagnetický buben, který se otáčel vysokou rychlostí. Na obvodu bubnu bylo umístěno mnoho kombinovaných hlav (zápis/čtení), které prováděly podle potřeby zápis či čtení. V současné době se již nepoužívají.

Bublinové paměti Jedná se o bublinové magnetické paměti, které jsou založeny na využití velkokapacitních magnetických posuvných registrů. Jsou nevolatilní. Jejich princip je založen například na tenkých vrstvách magnetických granátů například M 3 Fe 5 O 12 (M - vzácná zemina) s osou snadné magnetizace příčně k rovině magnetické vrstvy. V tomto případu mohou vzniknout stabilní válcové domény s osou kolmou k rovině vrstvy. Rozměr bublin je určen vlastnostmi materiálu a intenzitou magnetického pole.

Bublinami se pak pohybuje magnetickým polem působícím v rovině vrstvy. Bubliny se generují podle příchodu logického signálu (0, 1) v magnetickém generátoru bublin. Snímají se magnetorezistivním detektorem bublin. Destička o rozměrech cca 400 mm 2 má kapacitu 10 Mb a rychlost přenosu 5 Mb/s. Jejich zpracování je však složité.

Princip bublinové paměti

Polovodičová RAM Jedná se o vnější přídavnou polovodičovou paměť typu RWM RAM.

Značení pamětí V současné době se používá řada označení pamětí RWM a proto si je v krátkosti probereme. Názvy jsou uvedeny tak, jak se běžně nepřesně používají v odborných časopisech. Jedná se o :

BEDO RAM Burst EDO – zrychlením cyklu se dosahuje vyšších rychlostí RAM.

BURST EDO Jsou to další mnohem rychlejší paměti založené na principu, že moderní procesor neodebírá byte po bytu, ale bere celé bloky bytů.

CACHE Je několik druhů pamětí cache (keš) - vyrovnávací paměti, které jsou typu statická RWM RAM. Jsou to paměti buď prvé či druhé úrovně. Cache prvé úrovně (First Level Cache) je přímo na čipu procesoru. Procesor proto nemusí pracovat s externí pamětí, ale může zpracovávat data umístěná přímo v procesoru. Paměť je značně složitá a skládá se ze 2 částí :  TAG paměti,  datové paměti.

Paměti pro cache

V TAG paměti je vlastně seznam obsahu cache. Proto pokud procesor potřebuje data, zkontroluje nejprve TAG paměť interní cache. Nejsou-li k dispozici hledaná data, přechází procesor na vnější druhou cache (Second Level Cache) na základní desce. Je opět typu SRAM o velikosti 64 KB KB. Pokud nejsou data ani tam, musí procesor hledat v pomalé operační paměti (DRAM).

DIMM Dual Inline Memory Module jsou moduly, které mají 8bytovou strukturu (šíře přenosu 64 bitů pro paměti bez parity a 72 bitů pro paměti s paritou). Počet vývodů je 168. Kontakty na přední a zadní straně nejsou propojeny jako u pamětí SIMM. Jsou rozlišeny podle klíčů (zářezů mezi kontakty např. napájení atd.).

DRAM Jsou to dynamické paměti RWM RAM. Mají obvykle kapacity 64 kb, 256 kb, 1 Mb, 4 Mb, 8 Mb a 16 Mb. Přístupové doby jsou v rozmezí ns. Označení znamená : 41 - typ paměti kapacitu 1 Mb -7 - přístupovou dobou 70 ns.

EDORAM Moduly pamětí RWM RAM poskytující při čtení vyšší rychlosti. Toho je dosaženo tak, že řadič paměti zaadresuje 1 řádek (ROW) a několik sloupců (CAS), čímž dochází k překrývání při adresaci. To z toho důvodu, že data jsou platná i po deaktivaci signálu CAS a zadává se v této době další sloupec. Překrývání však nelze využívat při zápisu do paměti.

EDRAM Velmi rychlé dynamické paměti RWM DRAM doplněné statickou pamětí RWM RAM ve funkci vyrovnávací paměti (cache). Tím je dosaženo toho, že se externí vyrovnávací paměť druhé úrovně EVP (second level cache) přesunula přímo do paměťového modulu. Navíc komunikace mezi cache a pamětí probíhá v šíři 2 kB namísto 32 B, takže je přenosová rychlost asi 58 GB.

FPM RAM Fast page – mode RAM je paměť s rychlým stránkovacím režimem.

MD RAM Multibank Dynamic RAM je velmi rychlá grafická paměť.

PB SRAM Pipeline burst SRAM je zřetězená dávková paměť SRAM, která používá dávkování (nepřenáší se jen 1 byte). Požadavky na paměť lze zřetězit a ty se pak vykonávají velmi rychle. Pracuje se sběrnicí pracující s frekvencí 75 MHz a vyšší.

RDRAM Paměti pracující s mimořádně vysokou přenosovou rychlostí 0,5 GB/s s taktovací frekvencí 250 MHz. V jednom taktu se navíc provádí 2 akce. Rychlost šíření signálu je přibližně jen 5krát menší než rychlost světla, takže se dosahuje fyzikální hranice technologie. Moduly mohou mít z tohoto důvodu jen omezenou délku, asi 100 mm. To z důvodu, že by data by byla vlastně přepisována z jedné části paměti do druhé dříve, než by tam dorazila.

RIM Jedná se paměť se 184 vývody, přenosovou šíří dat 16 bitů avšak o frekvenci větší než 400 MHz. Velikosti jsou od 32 MB.

SD RAM SD RAM je synchronní DRAM (Synchronous dynamic RAM), která synchronizuje všechny operace s hodinovým signálem, čímž zrychluje přístup ke sloupcům, ale již nikoliv k řádkům paměti. Obsahuje čítač dávek, který se používá k čítání adres sloupců a tím opět zrychluje přístup. SDRAM umožňuje přístup k paměti ještě dříve, než byl ukončen předchozí přístup. Tyto paměti jsou schopny pracovat na sběrnici rychlostí až 200 MHz.

SG RAM Synchronous graphics RAM je paměť používaná především v kartách grafických akcelerátorů se sběrnicí AGP. Je jen 1bránová. Používá současného otevření 2 paměťových stránek. Má i funkci blokového zápisu a umožňuje rychlé mazání paměti rozhodující pro rychlou 3D grafiku.

SIMM Single Inline Memory jsou malé destičky plošných spojů osazené pamětmi RWM DRAM a přímým konektorem s 30 kontakty. Jsou určeny pro operační paměť PC a mají 1bytovou strukturu (šíře přenosu 8 bitů pro paměti bez parity a 9bitů pro paměti s paritou).

SIMM - PS/2 Single Inline Memory jsou malé destičky plošných spojů osazené pamětmi RWM DRAM a přímým konektorem se 72 kontakty. Jsou určeny pro operační paměti PC, které mají 4bytovou strukturu (šíře přenosu 32 bitů pro paměti bez parity a 36 bitů pro paměti s paritou).

SIP Single Inline Package - jsou malé destičky plošných spojů osazené pamětmi RWM DRAM. Vývody jsou nepřímé konektory jako vývody integrovaných obvodů DIL v jedné řadě.

SLD RAM Jedná se vylepšenou technologii SD RAM, která má podporu vyšších rychlostí sběrnice a v používání paketů (malých bloků dat) při obstarávání adresových požadavků, časování a příkazů pro DRAM.

SO DIMM Small Outline DIMM je paměť, která je menší a tenčí než klasická DIMM. Používá se hlavně u notebooků.

SRAM Jsou to statické paměti RWM RAM s přístupovou dobou ns. Mají však menší kapacitu, jsou drahé.

Sync RAM Synchronous burst RAM je paměť synchronní SRAM synchronizovaná se systémovými hodinami. Přístupová doba je asi 9 ns.. Nemá však schopnost pracovat se sběrnicí pracující na rychlostech vyšších než 66 MHz.

VRAM Jsou to paměti RWM RAM s možností přístupu ze 2 míst (od 2 zařízení). Z toho vyplývá, že do různých buněk paměti lze současně zapisovat i z ní číst. Používají se v grafických kartách, kde se jeden vstup užívá pro obnovování obrazovky a druhý pro zápis nových dat.

WRAM Windows RAM je též 2bránová paměť. Slouží výhradně pro zvýšení grafického výkonu. Má systém dvojitého vyrovnání dat (double – buffering).

Paměťové moduly se zasunovaly do tzv. BANK 0 - 3, které se osazovaly jen stejně velkými moduly se stejnou rychlostí. Povolené kombinace byly uvedeny v každém manuálu základní desky.

U procesorů 486 s šíří datové sběrnice 32 bitů (4 byte) se obvykle používaly 2 banky po 4 modulech SIMM (4 x 8 bitů = 32 bitů). Paměťové moduly by se neměly kombinovat, v praxi se to občas děje a často tyto kombinace fungují. U procesorů Pentium se používaly 2 banky po 2 modulech PS/2 (2 x 32 bitů = 64 bitů) U procesorů Pentium II se používají 4 banky po 1 modulu (moduly DIMM jsou 64bitové) Moduly mají velikosti 8,16,32,64,128 a 256 MB.

Při přechodu ze SIMM 32 na PS/2 se staré paměťové moduly často nevyhazovali, ale vkládali se do adaptérů vždy 4 moduly na 1 adaptér pro získání šíře 32 bit jak je vidět z obrázku vpravo.