Jak to chodí v paměti ??? - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

Jakmile se hovoří o věcech, které jsou digitální, vždy se mluví také o pamětech, které jsou v nich zabudovány. Žádný normální digitální přístroj se bez paměti neobejde.

Když rozlouskneme bakelitový obal.
Také Vás tak zajímá co je uvnitř. Já když jsem byl mladší byl jsem tím přímo fascinován. Kdykoli jsem dostal nějaký nový přístroj nebyl jsem spokojen dokud jsem nerozšrouboval šroubky na zadní straně a nesundal kryt. Teprve když bylo zařízení pěkně udělané i vevnitř byl jsem spokojen. Tento osud postihl budíky, kalkulačku, kazeťák, walkmana, lampu a nakonec i počítače a tiskárny.
Jenže tady má zvědavost nekončila. Pořád zbývaly elementární součástky. Některé si člověk mohl dovolit rozebrat, když byly nefunkční. Rozbalil jsem kondenzátor, řezal jsem náplně do tiskáren, odpory, diody i hradla MH-něco. Pak ale jsou součástky, které jsou dražší a fungují. Jinými slovy bylo by jich škoda. Tak jsem zaměřil svou pozornost jinam. Začal jsem studovat. Něco málo jsem se už dozvěděl a tak se pokusím, o to co mi všichni ti zkušenější pověděli, s Vámi podělit.

Paměti úvod, RWM (statické a dynamické)
Nejprve se podíváme na to co je většině pamětí společné a poté si přiblížíme jednotlivé druhy. Povíme si o jejich výhodách a nevýhodách, typických způsobech využití, rychlostech, velikostech a podobně.
Jak vypadá struktura pamětí? Typicky takto: z adresových nožiček se multiplexem adresa převede na kód 1 z N. Vybere se právě jeden řádek matice buněk. Buňky takto vybrané jsou schopné poslat svou informaci po sloupcích. Dole potom jsou vybrány sloupce ze kterých informaci předáváme, často všechny, a pokud je paměti dovoleno poslat data jsou data přes výstupní zesilovače poslána na sběrnici. Respektive data zvenku ze sběrnice jsou uložena do vybraných sloupců paměti.
Termín buňka používám k označení té nejmenší polovodičové struktury uchovávající 1 bit informace; nebo jinak řečeno struktury rozlišující dva stavy: 1, 0 tedy spojeno, nespojeno, nebo zapnuto vypnuto. Takové buňky se nachází ve všech místech kde se na obrázku protínají vodiče výběru řádků a sloupců.

RWM - Paměti umožňující neomezené čtení a zápis.
Statická paměť
Základní buňka této paměti je bistabilní klopný obvod. Bistabilní, tedy obvod, který je schopen setrvávat stabilně v jednom ze dvou stavů dokud není signálem zvenčí přinucen překlopit se do druhého stavu. Takto vypadaly nejstarší paměti počítačů už před mnoha lety. Bistabilní obvod je možné postavit i z diskrétních tranzistorů nebo dokonce z elektronek. Potom ale 1kByte paměti tedy více než 32.000 elektronek zabíral celou místnost. Dnes se tisíckrát více vejde na několika milimetrovou destičku.
Podaří se nám to díky MOSovým tranistorům vytvořeným na křemíkové destičce například 0,25 mikronovou technologií. To je pro představu 2000 souběžných vodičů vytvořených na šířce jednoho milimetru. Předpokládá se že by se nám do pěti let mělo podařit zlepšením stávající technologie vměstnat na tutéž šířku ještě 4000 spojů. To je zdá se hranice možností a bude třeba nalézt jinou cestu jak dále součástky zmenšovat.
Častěji než s NMOSovou pamětí se setkáme spíše s pamětí CMOSovou. Důvod je jediný. Spotřeba elektrické energie. NMOSová buňka spotřebovává proud stále. CMOSová buňka potřebuje odebírat proud hlavně v době, kdy je přepínána z jednoho stavu do druhého. Jindy je její spotřeba proudu zanedbatelná. Dosáhneme toho tím způsobem, že místo odporů které jsou na obrázku jsou zapojeny PMOSové tranzistory. Vzniknou tak dva negátory proti sobě. Pouze jeden ze dvou tranzistorů nad sebou je v jednu chvíli sepnut a tak buňkou protéká pouze zbytkový proud.
Jaké jsou přednosti statických pamětí? Několik jich tu je. Jednou z nejdůležitějších je ta, že je to nejrychlejší typ paměti jaký jsme schopni vyrobit. Proces zápisu a čtení probíhá v jediném kroku. Data mohou být k dispozici již za 8 ns od platné adresy na sběrnici. To odpovídá jakoby 125Mhz komunikaci. Pro porovnání sběrnice PCI komunikuje při 33Mhz. Proto nezastupitelnou úlohou statických pamětí v počítači je CACHE paměť. Paměť ležící mezi pomalou pamětí a procesorem, vyřizující časté žádosti procesoru a tak zrychlující práci.
Další výhodou je již jmenovaná nízká spotřeba v klidovém stavu. Pokud je tato vlastnost kombinována s baterií zabudovanou přímo v pouzdře paměti máme k dispozici stálou paměť jejíž obsah se při odpojení od napájení nevymaže. Takové paměti se také vyrábějí a mají své uplatnění.
Na závěr ještě několik příkladů. Typické CACHE paměti v počítačích bývaly 8x SRAM 32kx8 12ns. Dnes již určitě v ceně pod 100kč za kus. Největších kapacit jakých jsem si všiml byla statická paměť velikosti 4Mx8b v provedení zásuvného modulu pro počítače. Taková paměť je už ovšem dost drahá.

Dynamická paměť
Princip její práce je zcela odlišný od funkce paměti statické. Hodnota jíž si buňka pamatuje se uchovává ve formě napětí na miniaturním kondenzátoru. Aby se ušetřilo místo je kapacita takového kondenzátoru vyrobeného na křemíkové destičce tak malá, že čtení hodnoty je skutečným problémem. Prakticky se mnoho neví jak jednotlivé firmy své paměti dělají a je to pečlivě střeženým tajemstvím každé z nich. V hrubých rysech platí asi toto:
V první fázi je vybrán řádek paměti podle adresy. Uloží se do registru a napětím přivedeným na řádkový vodič se sepnou MOSové tranzistory. Miniaturní kondenzátor je tak připojen na sloupcový vodič. Z něj je přečtena hodnota uchovávaná na kondenzátoru. Je tady ale potíž. Protože kapacita kondenzátoru byla nepatrná my jsme jí přečtením zničili. Musíme si jí tedy zapamatovat a na závěr jí opět zapsat zpátky.
Dalším problémem je, že informace z kondenzátorů se nám ztrácí samovolně vlivem všudypřítomných svodových vodivostí. Je tedy nutné informaci v paměti neustále obnovovat. Jde o takzvaná refresh. Hodnota je z buněk přečtena a okamžitě zapsána zpět. Tento proces probíhá uvnitř paměti samé. Vzhledem k tomu, že refresh musí probíhat mnohokrát za vteřinu má negativní vliv na rychlost přístupu k paměti.
Vzhledem k tomu, že přístup k paměti potřebuje několik fází a je vždy nutné paměti dopřát čas k obnovení informace je přístupová doba pamětí delší. Typicky bývá 70ns. V katalogu jsem našel i paměť s dobou přístupu i 45ns ale i tak je tato doba 5x delší než u statických pamětí.
Výhodou dynamických pamětí je malá velikost jedné paměťové buňky. Místo šesti tranzistorů statické buňky nám stačí jeden, místo pěti vodičů stačí tři. Výsledkem je že na stejnou křemíkovou destičku se při stejné technologii vejde více informací. Výsledkem je že si můžeme koupit paměťové moduly obsahující 32Mx32b (128 MB - SIMM) paměti.
Nevýhodou je nutnost neustálého připojení paměti k napájecímu napětí a procesoru, aby se informace v ní uložená mohla nestále obnovovat. Při výpadku jednoho se data okamžitě ztrácí.
Pro urychlení přístupu se někdy používají paměti pracující v takzvaném BURST-módu. Na jedné adrese jsou data ve čtyřech skupinách čtených po sobě. Výběr řádku a refresh se provádí jenom jedenkrát, takže průměrná doba přístupu na 1B se zkrátí.

Video RAM
Jde o dynamickou paměť, která má dva porty. Sériový, který umožňuje jednoduché a rychlé čtení postupně po řádcích. Ten je používán při čtení dat pro elektronový paprsek monitoru. Paralelní port je vyhrazen pro zápis do paměti přes sběrnici počítače.

Multiport DRAM
Dynamická paměť se dvěmi sériovými vstupy a jedním paralelním. Podobně jako video RAM, ale navíc má port, přes který je zapisován přijímaný televizní signál. Pomocí této paměti lze například realizovat televizní přijímač, který nebliká, protože vykresluje na stínítko obraz dvakrát častěji než je vysílán.

FIFO paměti
2 sériové rozhraní. vyrovnávací paměti, často také používané pro konstrukci digitálních měřících přístrojů.

Dvoubranové paměti
2 nezávislá paralelní rozhraní. Umožňuje dát jedno rozhraní k dispozici procesoru a druhé ostatním zařízením. Může tak dojít teoreticky až k dvojnásobnému zlepšení průchodnosti dat mezi procesorem a pamětí.

Na závěr
Máme statické paměti. Ty jsou rychlé nebo stálé, ale drahé. Potom máme paměti dynamické, které jsou levné, zato však jsou pomalejší a jejich obsah se musí neustále obnovovat. A konečně jsme si ukázali, že pro každý úkol se vyrábějí speciální paměti, které danému zadání nejlépe vyhovují.
Příště si povíme o pamětech určených převážně nebo pouze ke čtení. Pamětech typu ROM. Vám kterým se mé vyprávění zdálo příliš populární a málo kompetentní se tímto velice omlouvám, ale lépe to bohužel nesvedu.