Paměti polovodičové. Jedná se o mikroelektronické obvody s velkou hustotou integrace.

Transkript

1 Paměti polovodičové Jedná se o mikroelektronické obvody s velkou hustotou integrace. Kromě základních vlastností, jako jsou kapacita a maximální doba přístupu se hodnotí i příkon a počet napájecích napětí (především pro aplikace, vyžadující zálohování bateriemi). Důležitým znakem polovodičové paměti je to, zda se po odpojení napájení (to je po vypnutí počítače) vymaže nebo se uchová. Rozdělení z několika různých hledisek: přístup k vnitřním datům možnost změny obsahu princip realizace elementární paměťové buňky Jednotlivé druhy se však v rámci uvedených skupin často prolínají a je obtížné stanovit přesnou hranici. Z hlediska přístupu k datům: a) paměti s libovolným (přímým) přístupem (RAM random access memory) b) paměti se sériovým (sekvenčním) přístupem (SAM serial access memory) c) paměti adresovatelné obsahem (CAM content addressable memory) Z hlediska možnosti změny dat: a) paměti pro čtení i zápis (RWM read-write memory) b) paměti pouze pro čtení (ROM read only memory) c) paměti především pro čtení (RMM read mostly memory), jejich obsah lze za provozu měnit, ač v režimu podstatně odlišném od režimu čtení Z hlediska principu realizace elementární paměťové buňky: a) statické elementární buňka paměti je založena na bistabilním klopném obvodu BKO, jsou schopny uchovat informaci neomezeně dlouho po dobu připojeného napájení. b) dynamické elementární buňka paměti je založena na využití parazitních kapacit v systému MOS, náboj se vybíjí, informace se musí cyklicky obnovovat. Dynamika činnosti (u dočasných pamětí) - podle toho, zda jsou schopny uchovat informaci neomezeně dlouho nebo se musí cyklicky obnovovat. Podle způsobu přenosu elektrického náboje dělíme polovodičové integrované obvody na dvě základní skupiny: bipolární přenosu náboje se účastní současně elektrony i díry jsou v porovnání s unipolárními obecně rychlejší, mají však větší spotřebu energie a je dosahováno nižšího stupně integrace. Technologie TTL, ECL, I 2 L. unipolární přenosu náboje se účastní jen jeden z nosičů náboje, buď elektrony nebo díry. Základem je tranzistor MOS. Technologie MOS-P, MOS-N, CMOS, FAMOS.

2 A) Polovodičové paměti typu RWM-RAM: jsou často označovány pouze zkratkou RAM (pozůstatek z počátků historie počítačů, kdy existovaly jen paměti RWM magnetická záznamová média se sériovým přístupem, RAM odlišovalo feritové paměti s libovolným přístupem). Při přerušení dodávky elektrického proudu tato paměť ztratí obsah. Z hlediska technologie i režimu činnosti můžeme tyto paměti dělit do tří skupin: 1) statické unipolární 2) dynamické unipolární 3) bipolární Typy paměti RWM-RAM používané v paměti počítače: Statické unipolární paměti RAM (Static Random Access Memory - SRAM) elementární buňka paměti je tvořena bistabilním klopným obvodem (BKO), jehož výstup nabývá dva stavy, představující logickou 1 a logickou 0. Velkou výhodou je rychlost (přístupová doba kolem 25ns). Nevýhodou je cena daná složitostí obvodu. Je z nich složena CACHE druhé úrovně (mezi mikroprocesorem a operační pamětí). Standardní kapacita 256, 512 kb. Dynamické unipolární paměti RAM (Dynamic Random Access Memory - DRAM) elementární buňka paměti sestává obvykle z 1-2 tranzistorů MOS-N, nevychází z principu BKO, ale z využití parazitních kapacit systému MOS, představující miniaturní kondenzátory. V nabitém stavu představují logickou 1, ve vybitém stavu logickou 0. Tyto miniaturní kondenzátory mají malou kapacitu a brzy se vybíjejí. Aby se zabránilo vymazání paměti, je nutné kondenzátory dobíjet. Použitá technologie představuje zvětšení bitové kapacity ale i přístupové doby ns. Sestávají z nich operační paměti. Kapacita 8, 16, 32, 64, 128, 256, MB. Jsou levnější než SRAM. CMOS-RAM (vyrobená technologií Complementary Metal Oxide Silicon). Díky ní má malou spotřebu v pasivním stavu (méně než 1%). Používá se pro zápis parametrů BIOSu programem SETUP. Jsou v ní uložena důležitá data o konfiguraci počítače. Po vypnutí je napájena z baterie umístěné na základní desce. Paměť vymažeme vyjmutím baterie (na 5-20 min). Vývoj režimů práce polovodičové statické unipolární paměti typu cache: Write-Through (přímý zápis přes cache), nejstarší typ, nejpomalejší, data se vkládají zároveň do cache i do operační paměti. Když procesor nenalezne data v cache, hledá je v operační paměti.(v mikroprocesoru 486). Write-Back (opožděný zápis), data se zapisují pouze jednou a to přímo do cache. Do operační paměti se zapisuje až tehdy, když jsou data odstraňována z cache. Než se dostanou data do operační paměti, tak cache už několikrát změní své hodnoty. (V novějších 486 a Pentiích). Pipelined Burst - nejnovější a nejrychlejší, paměť provede několik operací najednou, začneli číst informace z určité adresy, přečte informace i z následujících adres, které se zpravidla rovněž musí načíst. Přístupová doba od 10 do 15 ns.

3 Vývoj režimů práce polovodičové dynamické unipolární paměti RAM: DRAM (Dynamic Random Access Memory) dynamická paměť s libovolným přístupem, možno libovolně využívat všechny paměťové adresy a přistupovat k nim. Dnes se již nepoužívá, možno ji nalézt ve starších počítačích. FPM-(D)RAM (Fast Page Mode RAM) vylepšený typ dynamické paměti s libovolným přístupem, umožňuje adresaci stránek, použita ve starších počítačích s procesory 386, 486, starší Pentia. Vybavovací doba ns. EDO-(D)RAM (Extended Data Output) dynamická paměť, předností je podržení dat na výstupu, čímž umožňuje překrytí čtecích impulzů. Souběžně se připravuje další adresa nárust rychlosti cca 20%. Pozor, při zápisu se data překrývat nemohou zpětné zpomalení. Používána v nedávné době. BEDO-(D)RAM (Burst EDO-RAM) vylepšená EDO-RAM, Najednou lze načíst až 4 adresy místo jedné. Nutná základní deska, která to podporuje. SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) pracuje na stejném taktu jako sběrnice na základní desce. SDR SDRAM (Single Data Rate) Základní paměti SDRAM se nazývají SDR SDRAM, umožňují přenos dat pouze na jedné hraně signálu (pro názornost na přední hraně, jen když sinusoida vzrůstá). Používá se pro moduly typu DIMM (3,3V, 168 pinové, 2 zářezy). Vybavovací doba 8 12 ns, šířka paměťové sběrnice 64 bitů, typy dle frekvence sběrnice PC66, PC100, PC133 (pro frekvenci sběrnice 66, 100 a 133 MHz). Maximální přenosová rychlost je u 100 MHz paměti 800 MB/s, u 133 MHz paměti 1,07 GB/s. Paměti SDR Typ paměti Frekvence Propustnost dat PC MHz PC MHz 800 MB/s PC MHz 1,07 GB/s DDR SDRAM (Double Data Rate = dvojnásobný datový přenos) Tyto paměti se neoznačují svou původní frekvencí, ale dvojnásobnou. Paměti DDR SDRAM používají jiné moduly 184 pinové (1 zářez) a označují se DDR DIMM. Paměti DDR(1) Označení Reálná frekvence DDR frekvence Propustnost dat [GB/s] [MHz] [MHz] Single Channel Dual Channel PC ,6 3,2 PC ,1 4,2 PC ,7 5,4 PC ,2 6,4 PC ,5 7,0 PC ,0 8,0 PC ,3 8,6 PC ,4 8,8 PC ,8 9,6

4 DDR2 SDRAM Typ DDR2 2.generace (v roce 2004). Využívá napětí 2,2 (1,8)V. Očekávané převládnutí v počítačích od roku Paměti DDR2 Označení Reálná frekvence DDR frekvence Propustnost dat [GB/s] [MHz] [MHz] Single Channel Dual Channel PC ,2 6,4 PC ,3 8,6 PC ,3 10,6 PC ,4 10,8 PC ,0 12,0 PC ,4 12,8 PC ,0 16,0 DDR3 SDRAM Typ DDR3 3.generace paměťového čipu. Až čtyřnásobně navyšuje rychlostní potenciál paměťových čipů oproti předchozím generacím. Počáteční 400 MHz proti 1,066 GHz a nejvyšší 1,2 GHz proti 2,133 GHz (už jsou ohlášeny přes 2,4 GHz). Důraz je kladen na energetickou úspornost při zachování nárůstu přenosového výkonu. Využívá nižší napětí 1,5 V. Standardní napětí určené standardem JEDEC bylo sníženo z 1,8 na 1,5 V. Ve skutečnosti většina pamětí potřebuje napětí mezi 1,65 a 1,8 V. RDRAM (Rambus Dynamic RAM). Používá se pro moduly typu RIMM. Šířka paměťové sběrnice 16 bitů, frekvence 300, 400 nebo 533 MHz a přenáší data na obou hranách signálu, tedy dvojnásobný datový přenos, 600 MHz (PC 600 1,2 GB/s), 800 (PC 800 1,6 GB/s) a 1066 (PC ,13 GB/s). Jinak uspořádaná paměťová sběrnice uvnitř modulu, která přináší zvýšení výkonu i při menší šířce sběrnice. Na jednom modulu může být více 16- bitových sběrnic = další nárust výkonu. Dnes se ale používají pro zvýšení výkonu 2 moduly vedle sebe dva kanály = dvojnásobná přenosová rychlost. Typ paměti Frekvence Přenosová rychlost - 1 kanál 2 kanály PC MHz DDR 1,2 GB/s 2,4 GB/s PC MHz DDR 1,6 GB/s 3,2 GB/s PC MHz DDR 2,13 GB/s 4,26 GB/s XDR DRAM o XDR technologii vyvinula společnost Rambus o paměťový modul společnosti Toshiba 1.vzorky v prosinci 2003 (+ licence technologie firmy Samsung a Elpida) o pracují na kmitočtu až 6,4 GHz, pracovní napětí pro dosažení kmitočtu 4,8 GHz je 1,8 V o v jednom taktu dokáží přenést osm datových proudů typ ODR (octal data rate) o přenosová rychlost čipů se udává na 12,8 GB/s o produkce 512 MB XDR DRAM modulů od r.2005 o uplatnění zpočátku ve výkonných pracovních stanicích, grafických kartách a spotřební elektronice (špičkové digitální televize)

5 Instalace operační paměti na základní desce: DIP - u starých základních desek byly paměťové obvody integrovány do pouzder DIP Nověji jsou paměti zapouzdřeny do paměťových modulů, které se podle typu paměti a pouzdra označují: SIMM (Single Inline Memory Module) - pro sloty SIMM jsou určeny paměti DRAM, Fast Page DRAM, EDO RAM 30-pinový SIMM (šířka toku dat 8, 16 bitů, obvyklé kapacity 256 kb, 1 MB, 4 MB) u 286, 386, pinový SIMM (šířka toku dat 32 bitů, obvyklé kapacity 2, 4, 8, 16, 32 a 64 MB) u novějších 486, Pentium, novější AT/ATX se Socketem 7. Montáž a demontáž modulu SIMM: Modul musíte umístit do slotu ne kolmo shora, ale šikmo, pod úhlem 45 stupňů na doraz. Lze ho tam dát jenom z jedné strany a pouze jedním směrem, díky plastovému klíči jej nelze přepólovat a zasunout obráceně. Potom na modul z boku zatlačte tak, aby se narovnal, čímž se zacvaknou i příslušné klipsny. Při práci s paměťovými moduly se nedotýkejte prsty konektorů ani čipů, držet modul pouze za nevodivé okraje. Tím předejdete možnému zničení statickou elektřinou, případně oxidací kontaktů vlivem účinků potu. Demontáž proveďte obdobně. Úchytové klipsny na obou koncích paměťového slotu je potřeba rozevřít od sebe, čímž se paměťový modul uvolní a sklopí a můžete jej vyjmout. DIMM (Dual Inline Memory Module) pro sloty DIMM jsou určeny paměti SDRAM, (SDR SDRAM, DDR SDRAM popřípadě jejich upravené varianty). 168-pinový SDR DIMM (šířka toku dat 64 bitů, obvyklé kapacity 32, 64, 128, 256, 512 MB) u desek pro Pentium III nebo Celeron. 184-pinový DDR DIMM (šířka toku dat 64 bitů, obvyklé kapacity 64, 128, 256, 512 MB) u novějších desek. 200-pinový SO DIMM (obvyklé kapacity 128, 256, 512 MB, pinový DDR2 DIMM xxx-pinový DDR3 DIMM Montáž a demontáž modulu DIMM: Nejprve maximálně odtáhněte od sebe úchytové klipsny, umístěné po obou stranách paměťového slotu. Modul DIMM shora zasuňte do slotu a jemně zaklapněte klipsny. Tím je modul správně nainstalován a zajištěn. Nepoužívejte hrubou sílu. Modul lze vložit pouze jedním směrem, jelikož je chráněn dvěma plastovými výstupky proti přepólování. Stejně tak nelze modul vložit, když jsou klipsny staženy k sobě. Demontáž proveďte obdobně. Na úchytové klipsny na obou koncích paměťového slotu je potřeba zatlačit, čímž paměťový modul postupně vystupuje ven a můžete jej vyjmout. RIMM (Rambus Inline Memory Module) pro sloty RIMM jsou určeny paměti Rambus DRAM neboli RDRAM. 184-pinový RIMM (šířka toku dat 16 bitů, obvyklé kapacity od 64 MB výše) u novějších desek.pro procesory Intelu.

6 BANK kolekce patic na základní desce. Instalovány zpravidla BANKů. Maximální dostupná velikost paměti je dána konstrukcí základní desky. Asynchronní DRAM FPM RAM EDO RAM BEDO-RAM Synchronní SDR DDR DDR2 DDR3 DDR4 Mobilní: Mobile DDR Mobile DDR2 Mobile DDR3 Grafická VRAMG GDDR2 GDDR3 GDDR4 GDDR5 Rambus RDRAM XDR DRAM XDR2 DRAM

7 B) Polovodičové paměti typu ROM-RAM: označované i jako pevné nebo permanentní, jsou nositeli neměnné informace a proto mají relativně jednoduchou vnitřní strukturu, dosahují větší kapacity v porovnání s RWM stejné technologie. Požadovaná kombinace logických hodnot 0 a 1 je v nich zaznamenána (naprogramována) ve formě spojek mezi adresovými vodiči a sběrnicemi snímaných obvodů. Programují se buď přímo ve výrobě nebo uživatelsky na speciálních zařízeních. Polovodičové paměti ROM se vyrábějí téměř výhradně s libovolným přístupem a měly by se tedy označovat ROM-RAM. Používáme však jen zkratku ROM, aby nesprávná, ale vžitá interpretace zkratky RAM nevedla k omylům. Z hlediska technologie i režimu činnosti můžeme tyto paměti dělit do dvou skupin: 1) unipolární paměti ROM 2) bipolární paměti ROM Typy paměti ROM-RAM používané v paměti počítače: ROM PROM (PROM = programmable ROM), bipolární paměti ROM/PROM paměťová matice tvořena tranzistory, jejichž báze jsou připojeny na adresové vodiče a emitory na sběrnicová vedení čtecích obvodů. U paměti ROM se poslední maskou vytvářejí spojky mezi čtecími vodiči a emitory tranzistorů, kdežto u pamětí PROM jsou původně všechny emitory připojeny prostřednictvím přetavitelných spojek (přetaví uživatel). Přetavené spojky nevedou proud, mezi konci je napětí logická 1, nepřetavené vedou proud, logická 0. Unipolární paměti ROM poslední výrobní maskou se dotvářejí v místě vodivého spojení mezi adresovým a čtecím vodičem tranzistorové kanály, tam kde kanál nevznikne, je logická 1. Přístupová doba ns. Nelze zapisovat opakovaně. ROM jsou spolehlivější, levnější než PROM. EPROM (unipolární paměti ROM/PROM - EPROM erasable PROM) zvláštní výrobní technologie pamětí ROM/PROM, umožňující opakovaný záznam, protože obsah paměti je možno vymazat působením ultrafialového světla (asi 1/2 hodiny). Informace se v ní udržuje pomocí dobře izolovaného elektrického náboje. Přístupová doba ns. Okénko na pouzdře je z křemíku, kterým prostupuje ultrafialové záření (nechat zalepené). EEPROM (Electricaly EPROM) jsou mazatelné pomocí elektrického impulzu, doba mazání v ms. Počet zápisů do obou pamětí je omezen. Doba pamatování informace je cca let. Flash-PROM je z předešlých typů nejrychlejší a dá se s ní pracovat jako s RAM, ale po odpojení se nevymaže. Dokáže až 1000 programování a mazání. Lze ji přeprogramovat přímo v počítači.

8 Problémy paměti: Paměť spolu s procesorem (CPU) a základní deskou tvoří základ počítače a při řešení problémů se na ně nedá pohlížet odděleně. Na rozdíl od ostatních komponentů jsou na sobě velmi závislé a podle charakteru závady nelze obecně určit, co z nich je příčinou. Hledání příčin problémů je značně obtížné a je jim lépe předcházet. Nejčastější příčinou problémů těchto součástí bývají: špatné nebo nekvalitní propojovací kabely a konektory (při pochybnosti zkusit jiný) špatné nebo neúplné zasunutí procesoru a integrovaných obvodů do patic (všechny jemně zatlačit do patice) nesprávné napájecí napětí (zdroj poškozen nebo přetížen zkontrolovat voltmetrem) zkraty volnými šroubky a podložkami (zkontrolovat, zda se nenacházejí uvnitř počítače) zkraty zašroubovaných šroubů (zkontrolovat zda použité šroubky mají menší hlavu než volný prostor kolem otvoru) špatně nastavené propojky jumpery (zejména u starších desek), nastavuje se jimi rychlost paměti, velikost cache, napájecí napětí apod. (zkontrolovat podle manuálu základní desky) špatně zasunuté paměťové moduly (zkontrolovat zapadnutí úchytových klipsů) chlazení procesoru (zkontrolovat upevnění chladiče a větrák). Chyby operační paměti: 1. Po rozšíření či výměně operační paměti RAM se systém stane méně stabilní nebo úplně nefunkční. Počítač vůbec nenaběhne (pouze pípá). Paměť není správně nebo vůbec detekována, při startu počítač hlásí jinou velikost, než by měla být. Různá chybová hlášení. Zkuste následující: vyjměte paměť a znovu ji pečlivě zasaďte do slotu a zajistěte klipsny. vyzkoušejte jiný paměťový slot zkontrolujte, jestli nejsou kontakty paměťového modulu zoxidované nebo znečištěné zkontrolujte, jestli nejsou kontakty paměťového slotu zanesené prachem překontrolujte nastavení případných propojek na základní desce (na některých deskách lze přepínat frekvenci a rychlost paměti, typ konektoru SIMM nebo DIMM atd. zjistěte, je-li vámi použitá kombinace pamětí podle manuálu povolená. Ne všechny základní desky podporují všechny typy a velikosti pamětí. U starších desek pro procesory Pentium s pamětmi typu SIMM vesměs vyžadují osazení po dvojicích totožných pamětí (Pentium má 64bitovou sběrnici zatímco paměť SIMM poskytuje pouze 32 bitů proto nutný pár). Pokud nic nepomohlo, zřejmě použité paměti nejsou kompatibilní se základní deskou nebo mohou být vadné. Snažte se vyhnou kombinaci různých pamětí (rozdílných rychlostí) v jednom systému. 2. Při startu počítače projde test paměti v pořádku, nahlásí se správná velikost, ale v průběhu startu Windows nebo při běhu systému přesto dojde k chybě ukazující na problém s pamětí. Testování paměti při startu probíhá v reálném režimu procesoru a ten nic nezjistí, co se týká chování paměti v chráněném režimu procesoru, který používají Windows. Windows 9x mohou hlásit chybu již při zavádění paměťového ovladače HIMEN.SYS. V tom případě systém nejspíš vůbec nenastartuje. Windows NT, 2000 apod. zřejmě chybu detekují a zakáží využívání paměti v nespolehlivé oblasti. Tak zredukují kapacitu paměti. Počítač pak poběží normálně, byť značně pomalu.

9 Běžící systém se bude nevysvětlitelně hroutit do modrých obrazovek nebo bude hlásit, že program provedl neplatnou operaci či došlo k interní chybě apod. V těchto případech nezbude, než hledat jiný typ paměti. 3. Počítač při startu hlásí chyby parity (Parity Error). Používáte-li neparitní paměť, vypněte kontrolu parity v Setupu. Jestliže to nepomůže, nebo používáte paritní paměť, jedná se o chybu pamětí. Zřejmě použité paměti nejsou kompatibilní se základní deskou nebo mohou být vadné. Pokuste se nalézt takové paměti, které budou použité základní desce vyhovovat.