Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm việc của bộ nhớ RAM chuẩn DDRAM

Khoa CNTT - Nhóm Trường Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Thông Tin Bài tập lớn môn Kiến trúc máy tính -Lớp: Kỹ Thuật Phần Mềm -Nhóm thực hiện: Nhóm Đề tài thực hiện: Phân tích ngun lý hoạt động nhớ Ram chuẩn DDRAM Khoa CNTT - Nhóm Trường Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Thông Tin Bài tập lớn môn Kiến trúc máy tính -Lớp: Kỹ Thuật Phần Mềm -Nhóm thực hiện: Nhóm -Th ành vi ên nh óm: + Trịnh Khương Duy + Ngô Văn Hảo + Trần Đức Giang + Sái Vĩnh Hanh + Tạ Thế Dũng Đề tài thực hiện: Phân tích nguyên lý hoạt động nhớ Ram chuẩn DDRAM Khoa CNTT - Nhóm MỤC LỤC Chương Tổng quan nhớ máy tính 1.1 Khái niệm 1.2 Tổng quan nhớ máy tính Chương Bộ nhớ 2.1 Tổng quan nhớ 2.1.1 ROM, phân loại ROM 2.1.2 RAM 2.1.2.1 Phân loại RAM 2.1.2.2 Các loại DRAM 2.1.2.3 Cách nhận biết cách loại RAM 2.2 Nguyên tắc hoạt dộng RAM Chương Sơ lược nhớ RAM 3.1 Tốc độ 3.2 Độ trễ 3.3 Tần số làm tươi 3.4 Chu kỳ chuỗi Chương Nguyên lý làm việc nhớ RAM chuẩn DDRAM 4.1 Chu kỳ đọc liệu 4.2 Chu kỳ gi liệu Khoa CNTT - Nhóm Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ NHỚ MÁY TÍNH 1.1 Khái niệm Bộ nhớ máy tính bao gồm hình thức, phương thức để lưu liệu máy tính cách lâu dài (khi kết thúc phiên làm việc máy tính liệu khơng bị đi), lưu liệu tạm thời trình làm việc máy tính (khi kết thúc phiên làm việc máy tính nhớ bị hết liệu) 1.2 Tổng quan hệ thống nhớ máy tính Khi nói tới nhớ máy tính, có nhiều người chưa hiểu hết hay biết rõ nhớ máy gồm Trong phần nhóm trình bày sơ lược nhớ máy tính sâu chút nhớ RAM chuẩn SDRAM Để định hình hệ thống nhớ máy tính, xem mơ hình phân cấp hệ thống nhớ sau: L2 SRAM DRAM SDRAM RDRAM Bộ nhớ Sơ đồ hệ thống nhớ Bộ nhớ đệm RAM Cache ROM mặt nạ ROM PROM EPROM L1 CPU ÊPROM Bộ nhớ Bộ nhớ bán dẫn Bộ nhớ từ Khoa CNTT - Nhóm HỆ THỐNG NHỚ Khoa CNTT - Nhóm Chương 2: BỘ NHỚ CHÍNH 2.1 Tổng quan nhớ Bộ nhớ đặt nhớ Cache nhớ ngoài, nơi lưu trữ thông tin cho nhớ Cache đưa vào nhớ Cache sau CPU truy nhập thông tin nhớ Cache, nơi cung cấp thơng tin trực tiếp CPU CPU khơng tìm thấy thơng tin nhớ Cache Bộ nhớ gọi nhớ bán dẫn Bộ nhớ chia làm loại: ROM, RAM 2.1.1.Bộ nhớ ROM – Read Only Memory Là nhớ đọc (khi đời), loại nhớ đọc/ghi bình thường Đặc trưng lớn nhớ thơng tin cịn nguồn nuôi nhớ truy nhập ngẫu nhiên ROM chips A4000T v40.70 Khoa CNTT - Nhóm Bộ nhớ EPROM với cửa sổ nhỏ để xóa liệu Theo lịch sử phát triển, có loại nhớ ROM: • ROM mặt nạ (maskable ROM): loại nhớ ROM cài sẵn thông tin sản xuất mãi thông tin không thay đổi • PROM – Programmable ROM: loại nhớ thơng tin sản xuất, xong người dùng ghi thông tin lần thiết bị chun dùng, ghi sai bỏ CD gọi PROM • EPROM – Erasable PROM: dạng cao PROM, sản xuất khơng có thơng tin qua trình sử dụng ghi thiết bị chun dùng xóa thơng tin cũ tia cực tím tốn khơng phải trang bị Dạng CD-Erasable điển hình • EEPROM – Electrically EPROM: dạng cao EPROM, đặc điểm bật loại thơng tin ghi/xóa nhiều lần software thay hardware CD-Rewritable tương tự loại ROM • Flash Memory (bộ nhớ tia chớp): giống EEPROM cho phép đọc/ghi khối Ngày nhớ tương tự USB 2.1.2 Bộ nhớ RAM – Random Access Memory Khoa CNTT - Nhóm Là loại nhớ thay đổi được, liệu ghi vào đọc nhớ truy nhập ngẫu nhiên ROM Đặc điển đặc trưng nhớ nguồi điện ni thơng tin Một số RAM 2.1.2.1 Phân loại RAM Có loại RAM chính: • SRAM (Static RAM – RAM tĩnh): loại RAM lưu trữ liệu mà không cần cập nhật thường xuyên, xây dựng mạch điện tử flip-flop SRAM có đặc điểm sau: o Thơng tin ổn định o Tốc độ nhanh o Dung lượng IC nhỏ Trong máy tính SRAM dùng làm Cache L1, L2 • DRAM (Dynamic RAM – RAM động): loại RAM lưu trữ liệu cần cập nhật thường xuyên (làm tươi lại – refresh), xây dựng sở nhớ tụ điện DRAM có đặc điểm sau: o Thông tin không ổn định o Tốc độ chậm o Dung lượng IC lớn Khoa CNTT - Nhóm o Giá thành thấp DRAM dùng để thiết kế nhớ 2.1.2.2 Các loại DRAM DRAM chia làm loại: SDRAM RDRAM a SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM) thường gọi “SDR”, có 168 chân Được dùng máy vi tính cũ, có bus speed chạy với clock speed memory chip nỗi thời SDR SDRAM với khe cắm múi DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) gọi tắt “DDR”, có 184 chân DDR cải tiến SDR, có tốc độ gấp đơi SDR nhờ vào việc truyền tải lần chu kỳ nhớ DDR SDRAM với khe cắm chia thành múi DDR2 SDRAM (Double Data Rate SDRAM) gọi tắt DDR2, có 240 chân Là hệ sau DDR, có tốc dộ truyền tải gấp đơi DDR bus speed cao gấp đôi clock speed DDR2 sử dụng mức điện áp 1,8V Khoa CNTT - Nhóm DDR2 SDRAM thương tự DDR SDRAM DDR3 SDRAM (Double Data Rate SDRAM) có 240 chân DDR2 SDRAM song lại có tốc độ bus cao DDR2 nhiều Mức điện áp quy đinh DDR3 1,5V Có tốc độ bus 800/1066/1333/1600 Mhz, số bit liệu 64bits Chuẩn DDR3 cho phép sử dụng với chip nhớ có dung lượng từ 512M tới 8G Một DDR3 SDRAM bọc vỏ tản nhiệt b.RDRAM (RAMbus Dynamic RAM) Được gọi tắt "Rambus" Đây loại DRAM thiết kế kỹ thuật hoàn toàn so với kỹ thuật SDRAM RDRAM hoạt động đồng theo hệ thống lặp truyền liệu theo hướng Một kênh nhớ RDRAM hỗ trợ đến 32 chip DRAM Mỗi chip ghép nối module gọi RIMM (RAMbus Inline Memory Module) 10 Khoa CNTT - Nhóm việc truyền liệu thực mạch điều khiển chip riêng biệt không truyền chip với Chip RAM Bus nhớ RDRAM đường dẫn liên tục qua chip module bus, module có chân vào đầu đối diện Do đó, khe cắm không chứa RIMM phải gắn module liên tục để đảm bảo đường truyền nối liền Tốc độ RAMbus đạt từ 400-800MHz RAMbus không nhanh SDRAM bao lại đắt nhiều nên có người dùng RDRAM phải cắm thành cặp khe trống phải cắm RAM giả cho đủ Một Rambus với rãnh liền khe cắm 2.1.2.3 Cách nhận biết loại RAM chuẩn SDRAM SDR SDRAM : RAM loại có 168 chân với khe cắt phần chân cắm Hiện tốc độ PC100 PC133 11 Khoa CNTT - Nhóm RDRAM : RAM loại có 184 chân với khe cắt Do tốc độ cao, tỏa nhiệt dữ, RDRAM phải cặp kè với miếng nhôm tản nhiệt Với cấu hình “kênh đơi” (dual-channel), RDRAM bắt buộc phải chạy cặp không bỏ trống hai khe lại (nên phải dùng hai RDRAM giả, gọi CRIMM - Continuity RIMM) DDR-SDRAM : RAM DDR có tới 184 chân có khe cắt Nó dùng kênh đơn SDRAM nên chạy độc lập, Các hệ sau DDR SDRAM không khác so với hệ đầu thẻ RAM, chúng mang đặc trưng DDR RAM 12 Khoa CNTT - Nhóm Xem hình: 2.2 Nguyên tắc hoạt động chung nhớ RAM a Nguyên tắc chung Tương tự vi xử lý (BVXL), chip nhớ mạch tích hợp (IC) làm từ hàng triệu bóng bán dẫn (transitor) tụ điện Đối với loại nhớ thơng dụng máy vi tính, nhớ truy xuất ngẫu nhiên động (DRAM), bóng bán dẫn tụ điện đôi với để tạo thành tế bào nhớ Tụ điện giữ bit thơng tin Bóng bán dẫn hoạt động ngắt để mạch điều khiển chip nhớ đọc thay đổi trạng thái tụ điện Một tụ điện giống thùng nước nhỏ chứa điện tử Để lưu vào tế bào nhớ, thùng nước đổ đầy điện tử Để lưu 0, thùng nước làm rỗng Tuy nhiên, thùng nước có khuyết điểm có lỗ thủng Trong khoảng vài mili giây, thùng nước đầy trở nên trống rỗng Do đó, để nhớ động làm việc, CPU 13 Khoa CNTT - Nhóm điều khiển nhớ phải nhanh chóng nạp lại tất tụ điện chứa trước phóng điện Để làm việc này, điều khiển đọc lại nội dung nhớ ghi vào lại Quá trình làm tươi tự động diễn hàng ngàn lần giây Và q trình tạo nên phần "động" cho RAM Ram động phải làm tươi cách liên tục khơng "qn" thứ giữ Mặt hạn chế trình làm tươi khoảng thời gian để thực điều làm giảm tốc độ nhớ Các tế bào nhớ khắc lên bánh silicon theo dãy cột (bitlines) hàng (wordlines) Điểm giao bitline wordline tạo thành địa tế bào nhớ DRAM hoạt động cách gửi dòng nạp điện qua cột phù hợp (CAS) để kích hoạt bóng dẫn bit cột Khi ghi, hàng sẽ chứa trạng thái mà tụ điện đã mang Khi đọc, khuếch đại hướng xác định mức nạp điện tụ điện Nếu 50%, đọc Ngược lại, đọc Một đếm theo dõi trình tự làm tươi dựa hàng truy xuất theo thứ tự Quãng thời gian để làm tất việc nhỏ, biểu diễn đơn vị nano giây (hàng tỉ giây) Một chip nhớ đánh giá 70ns nghĩa 70 nano giây để hồn tất q trình đọc nạp lại điện cho tế bào Các tế bào nhớ đơn độc vơ dụng khơng có cách lấy thông tin vào chúng Do đó, tế bào nhớ có hỗ trợ toàn vẹn mạch chuyên dụng khác Những mạch làm chức năng: - Nhận biết hàng cột (chọn địa hàng địa cột) - Theo dõi trình tự làm tươi (bộ đếm) - Đọc lưu tín hiệu từ tế bào (bộ khuếch đại hướng) - Đảo tế bào xem có nên nhận dịng nạp hay khơng (bật ghi) 14 Khoa CNTT - Nhóm Các chức khác điều khiển nhớ bao gồm tác vụ xác định loại, tốc độ, dung lượng nhớ kiểm tra lỗi RAM tĩnh (SRAM) sử dụng cơng nghệ hồn tồn khác Các bit nhớ giữ dạng bật Một bật cho tế bào nhớ tốn bóng bán dẫn vài dây dẫn Và chúng không cần làm tươi Nhờ vậy, tốc độ RAM tĩnh nhanh nhiều so với RAM động Tuy nhiên, cần đến nhiều thành phần nên tế bào nhớ tĩnh chiếm nhiều không gian chip tế bào nhớ động Do đó, chip, có nhớ Dẫn đến việc chế tạo RAM tĩnh tốn nhiều chi phí Như vậy, RAM tĩnh nhanh đắt tiền Ram động rẽ chậm Ram tĩnh thường dùng để chế tạo đệm nhạy tốc độ cho CPU Trong RAM động thường dùng làm khơng gian nhớ cho hệ thống b Cơ chế kiểm tra lỗi nhớ Hầu hết loại nhớ đáng tin cậy Hệ thống cần nhờ điều khiển nhớ kiểm tra lỗi lúc khởi động tin vào Các chip nhớ có chế kiểm tra lỗi xây dựng sẵn thường sử dụng phương pháp chẵn-lẻ (parity) để kiểm tra Các chip chẵn lẻ có bit phụ cho bit liệu Cơ chế chẵn lẻ hoạt động đơn giản Đầu tiên chế bậc chẵn (even parity) Khi bit byte nhận liệu, chip nhớ thêm bit gọi bit bậc parity vào Bit tổng số bit dãy liệu Nếu tổng số bit lẻ, bit bậc parity thiết lập Nếu tổng số bit chẵn, thiết lập Khi liệu đọc ra, việc tính tốn tổng bit thực lại lần để so sánh với bit bậc parity Nếu tổng 15 Khoa CNTT - Nhóm lẻ bit bậc parity 1, liệu xét gửi cho CPU Nhưng tổng lẻ bit bậc parity 0, chip nhớ nhận thấy có lỗi dãy bit kết xuất liệu Cơ chế bậc lẻ làm giống vậy, bit bậc lẻ thiết lập tổng số bit chẵn Vấn đề với chế chẵn lẻ có khả phát lỗi lại sửa lỗi Nếu byte liệu khơng hợp với bit bậc parity nó, liệu loại bỏ hệ thống thử lại lần Các máy tính có vai trị chủ chốt cần đến dung sai lỗi (fault tolerance) mức cao Các máy tính chủ cao cấp thường sử dụng dạng kiểm tra lỗi error-correction code (ECC) Giống với chế chẵn lẻ, ECC sử dụng bit thêm vào để kiểm tra liệu byte Điểm khác biệt chế ECC sử dụng nhiều bit để kiểm tra lỗi thay (nhiều phụ thuộc vào độ rộng bus cho phép) Bộ nhớ ECC sử dụng thuật toán đặc biệt cho phép khơng phát lỗi mà cịn sửa chúng Bộ nhớ ECC phát trường hợp có nhiều bit liệu byte bị hỏng Tuy nhiên, lỗi xảy chúng sửa được, với ECC Phần lớn máy tính bán ngày sử dụng chip nhớ không-chẵn-lẻ (nonparity) Các chip không cung cấp chế kiểm tra hay sửa lỗi nào, mà chúng hoàn toàn phụ thuộc vào khả phát lỗi điều khiển nhớ 16 Khoa CNTT - Nhóm PHẦN 3: SƠ LƯỢC VỀ BỘ NHỚ RAM 3.1 Tốc độ Đây có lẽ khái niệm người dùng quan tâm nhất, nhiên có người thắc mắc cách gọi tên, DDR có hai cách gọi theo tốc độ MHz theo băng thơng Ví dụ, nói DDR333 tức RAM mặc định hoạt động tốc độ 333MHz cách gọi PC2700 lại nói băng thơng RAM, tức chạy tốc độ 333MHz đạt băng thông 2700MB/s (trên lý thuyết) Thường Việt Nam thơng dụng loại RAM có bus 333 400, loại có bus cao thường xuất loại cao cấp Kingston HyperX, Corsair , Mushkin LV nói chung 3.2 Độ trễ CAS Latency khái niệm mà người dùng thắc mắc nhiều Trước đây, mua RAM, người mua thường quan tâm tới tốc độ hoạt động 100MHz hay 133MHz gần đây, khái niệm CAS dần người dùng để ý đóng vai trò quan trọng vào tốc độ xử lý tổng thể hệ thống, đặc biệt ép xung Vậy CAS gì? CAS viết tắt “Column Address Strobe” (địa cột) Một DRAM coi ma trận nhớ (bạn hình dung bảng tính excel với nhiều trống) dĩ nhiên nhớ có toạ độ (ngang, dọc) Như bạn đốn khái niệm RAS (Row Adress Strobe)là địa hàng nguyên lý hoạt động DRAM truyền liệu xuống chân nên 17 Tải FULL (file word 36 trang): bit.ly/2Ywib4t Khoa CNTT - Nhóm RAS thường không quan trọng CAS Khái niệm độ trễ biểu thị quãng thời gian bạn phải chờ trước nhận thứ cần Theo từ điển Merriam-Webster latency có nghĩa 'khoảng thời gian từ lệnh đến nhận phản hồi' Vậy CAS làm việc nào? CAS Latency có ý nghĩa gì? Để hiểu khái niệm này, điểm nhanh qua cách thức nhớ làm việc, chipset truy cập vào hàng ngang (ROW) ma trận nhớ thông qua việc đưa địa vào chân nhớ (chân RAM) kích hoạt tín hiệu RAS Chúng ta phải chờ khoảng vài xung nhịp hệ thống (RAS to CAS Delay) trước địa cột đặt vào chân nhớ tín hiệu CAS phát Sau tín hiệu CAS phát đi, tiếp tục phải chờ khoảng thời gian (đây CAS Latency) liệu tìm thấy Điều có nghĩa với CAS 2, chipset phải chờ xung nhịp trước lấy liệu với CAS3, thời gian chờ xung nhịp hệ thống Bạn thắc mắc phải CAS2 nhanh CAS3 tới 33%, khơng đến mức có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu tổng thể nhớ điển hình như: + Chuỗi xử lý thơng tin: kích hoạt RAS, chờ khoảng thời gian trễ RAS-toCAS Delay CAS Latency + Truy cập nhớ theo chuỗi: chipset đọc liệu nhớ RAM theo chuỗi (burst) nhiều liệu chuyển lần tín hiệu CAS kích hoạt lần đầu chuỗi + Bộ vi xử lý có đệm lớn nên chứa nhiều lệnh truy cập liệu; thơng tin tìm kiếm đệm trước truy cập vào RAM tần số liệu cần tìm thấy đệm (hit-rate) cao (vào khoảng 95%) Nói tóm lại việc chuyển từ CAS sang CAS tăng hiệu xử lý 18 Tải FULL (file word 36 trang): bit.ly/2Ywib4t Khoa CNTT - Nhóm cho tất ứng dụng Những chương trình phụ thuộc vào nhớ game hay ứng dụng đồ họa chạy nhanh Điều đồng nghĩa với việc RAM đóng dấu CAS2 chắn chạy nhanh RAM CAS3 Nếu bạn dự định mua đồ chơi cho đua ép xung hay đơn giản cần hệ thống đạt tốc độ tối ưu, chọn RAM CAS2 cơng việc văn phịng, CAS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu 3.3 Tần số làm tươi Thường nhắc tới khái niệm tần số làm tươi (RAM Refresh Rate), người ta thường nghĩ đến hình máy tính, nhiên nhớ DRAM (Dynamic Random Access Memory) có khái niệm Như bạn biết module DRAM tạo nên nhiều tế bào điện tử, tế bào phải nạp lại điện hàng nghìn lần giây không liệu chứa chúng bị Một số loại DRAM có khả tự làm tươi liệu độc lập với xử lý thường sử dụng thiết bị di động để tiết kiệm điện 3.4 Chu kỳ chuỗi Việc cho đời cách đọc liệu theo chuỗi (Burst Mode) giúp khắc phục nhiều nhược điểm tăng hiệu cho RAM, chu kì chuỗi ngắn nhiều chu kì trang RAM loại cũ Chu kì chuỗi coi chu kì xung nhịp SDRAM coi thang xác định cho tốc độ RAM khoảng thời gian cần thiết lần truy xuất liệu theo chuỗi RAM Những số -12, -10, -8 ghi chip RAM cho biết khoảng thời gian tối thiểu 19 2580002 ... rõ nhớ máy gồm Trong phần nhóm trình bày sơ lược nhớ máy tính sâu chút nhớ RAM chuẩn SDRAM Để định hình hệ thống nhớ máy tính, xem mơ hình phân cấp hệ thống nhớ sau: L2 SRAM DRAM SDRAM RDRAM Bộ. .. RDRAM Bộ nhớ Sơ đồ hệ thống nhớ Bộ nhớ đệm RAM Cache ROM mặt nạ ROM PROM EPROM L1 CPU ÊPROM Bộ nhớ Bộ nhớ bán dẫn Bộ nhớ từ Khoa CNTT - Nhóm HỆ THỐNG NHỚ Khoa CNTT - Nhóm Chương 2: BỘ NHỚ CHÍNH... Phân tích nguyên lý hoạt động nhớ Ram chuẩn DDRAM Khoa CNTT - Nhóm MỤC LỤC Chương Tổng quan nhớ máy tính 1.1 Khái niệm 1.2 Tổng quan nhớ máy tính Chương Bộ nhớ 2.1 Tổng quan nhớ 2.1.1 ROM, phân loại