- Operační paměti -

• Paměť: zařízení, které slouží k ukládání programů a dat, s nimiž počítač pracuje
• Paměti počítače lze rozdělit do tří základních skupin:
o Registry:
 Paměťová místa na čipu procesoru
 Jsou používány pro krátkodobé uchování právě zpracovávaných informací
o Vnitřní (interní):
 Paměti osazené většinou uvnitř základní jednotky
 Realizovány pomocí polovodičových součástek
 Jsou do nich zaváděný právě spuštěné programy a data, se kterými tyto programy pracují
o Vnější (externí):
 Paměti realizované většinou za pomoci zařízení používajících výměnná media v podobě disků či magnetickém nebo optickém principu
 Slouží pro dlouhodobé uchování informací a zálohování dat
• Statičnost / dynamičnost:
o Statické paměti
 Uchovají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí
o Dynamické paměti:
 Zapsanou informaci mají tendenci ztrácet i v době, kdy jsou připojeny k napájení
 Informace v takových pamětech je tedy nutné neustále periodicky oživovat, aby nedošlo k jejich ztrátě.
• Destruktivnost
o Přečtená informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Aby zde opět mohla být musí být znovu nahrána
• Nedestruktivní při čtení
o Přečtení této informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní
• Přístup
o Sekvenční
 Před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace
o Přímý
 Je možné zpřístupnit přímo požadované informace
ROM – Read Only Memory
• Paměti určené pouze pro čtení uložených informací
• Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při
• jejich výrobě.
• Potom již není možné žádným způsobem jejich obsah změnit
• Jedná se o statické a energeticky nezávislé paměti
PROM – Programable Read Only Memory
• Neobsahují po vyrobení žádnou pevnou informaci
• Příslušný zápis informace provádí uživatel
• Zápis je možné provést pouze jednou a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM
• Zápis informace se provádí vyšší hodnotou elektrického proudu (cca 10 mA), která způsobí přepálení tavné pojistky
• Paměti PROM představují statické a energeticky nezávislé paměti
EPROM – Eraseable PROM
• Statické energeticky nezávislé paměti určené pro čtení i zápis informací
• Zapsané informace je možné vymazat působením ultrafialového záření
• Realizovány pomocí speciálních unipolárních
• tranzistorů, které jsou schopny na svém přechodu
• udržet elektrický náboj po dobu až několika let
EEPROM - Electrically EPROM
• Mají podobné chování jako paměti EPROM, tj. jedná se statické, energeticky nezávislé paměti, které je možné naprogramovat a později z nich informace vymazat
• Vymazání se provádí elektricky a nikoliv pomocí UV záření
• Vyrábí se pomocí speciálních tranzistorů vyrobených technologií MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor)
• Jedná se o tranzistory, na jejichž řídící elektrodě (Gate) je nanesena vrstva nitridu křemíku (Si3N4) a pod ní je umístěna tenká vrstva oxidu křemičitého (SiO2)
• Buňka paměti EEPROM pracuje na principu tunelování (vkládání) elektrického náboje na přechod těchto dvou vrstev
Paměti Flash
• Obdoba pamětí EEPROM
• Paměti, které je možné naprogramovat a které jsou statické a energeticky nezávislé
• Vymazání se provádí elektrickou cestou, jejich přeprogramování je možné provést přímo v počítači
• Paměť typu flash tedy není nutné před vymazáním (naprogramováním) z počítače vyjmout a umístit ji do speciálního programovacího zařízení
• Narozdíl od EEPROM se u pamětí flash provádí mazání nikoliv po jednotlivých buňkách, ale po celých blocích
• Paměťová buňka je tvořena tranzistorem, jeho elektroda gate je rozdělena na dvě části:
o Control Gate:
připojená k adresovému vodiči
o Floating Gate:
oddělená od control gate izolační vrstvou
umožňuje uložení elektrického náboje, pomocí něhož buňka
uchovává hodnotu logická 0 nebo logická 1
• Flash paměti se dělí do dvou základních skupin:
NOR flash:
o poskytují rozhraní s vyhrazenými adresovými a datovými vodiči umožňují přímý přístup k dané paměťové buňce
o chovají se jako paměti, které jsou mapované do určité části adresového prostoru
o dovolují používat techniku XIP –Execute In Place: je možné přímo
o spouštět programy, které jsou v nich uložené
o spouštěné programy z těchto pamětí není nutné nejprve kopírovat do paměti RAM
o mnohdy se však používá technika RAM shadowing, tj. kód z paměti flash se nejdříve zkopíruje do rychlejší paměti RAM, kde je následně spuštěn
NAND Flash:
• jsou připojeny pomocí relativně jednoduchého rozhraní
• nevyžadují plnou šířku adresové a datové sběrnice
• data a příkazy jsou multiplexovány do 8 I/O linek, pomocí nichž jsou zasílány do interního registru
• práce s flash pamětí NAND probíhá typicky v následujících krocích:
o zaslání příkazu (např. read nebo write)
o zaslání 4bytové adresy vyjadřující, odkud budou data čtena, resp. Kam budou zapisována
o vyčkání, až flash paměť umístí požadovaná data do výstupního registru nebo zaslání zapisovaných dat
o přečteni, resp. zapsání dat
o výhodou tohoto řešení je, že není nutné měnit počet vývodů příslušných integrovaných obvodů s měnící se kapacitou flash paměti  snadnější upgrade
o ve srovnání s NOR flash paměťmi jsou pomalejší při čtení, ale rychlejší při zápisu i při mazání
o dovolují cca 100000 – 1000000 smazání a zápisů
o používány zejména pro výrobu paměťových karet (např. SD card, SmartMedia, CompactFlash, Memory Stick)
Paměti RAM
RAM - Random Access Memory
o Paměti určené pro zápis i pro čtení dat
o Jedná se o paměti, které jsou energeticky závislé
o Podle toho, zda jsou dynamické nebo statické, jsou dále
rozdělovány na:
o DRAM – Dynamické RAM
o SRAM – Statické RAM
SRAM - Static Random Access Memory
o Uchovávají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení
o Paměťová buňka je realizována jako bistabilní klopný obvod, tj. obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda v paměti je uložena 1 nebo 0
o Mají nízkou přístupovou dobu (1 – 20 ns)
o Jejich nevýhodou je naopak vyšší složitost a z toho plynoucí vyšší výrobní náklady
o Jsou používány především pro realizaci pamětí typu cache (L1, L2 i L3)
o Paměťová buňka používá dvou datových vodičů:
 Data: určený k zápisu do paměti
 Data: určený ke čtení z paměti
 Hodnota na tomto vodiči je vždy opačná než hodnota uložená v paměti
DRAM - Dynamic Random Access Memory
o Informace je uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru
o Tento náboj má však tendenci se vybíjet v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napájení
o Aby nedošlo k tomuto vybití a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky provádět tzv. refresh, tj. oživování paměťové buňky
o Buňka paměti DRAM je velmi jednoduchá a dovoluje vysokou integraci a nízké výrobní náklady
o Díky těmto vlastnostem je používána k výrobě operačních pamětí
o Její nevýhodou je však vyšší přístupová doba (10 – 70 ns) způsobená nutností provádět refresh a časem potřebným k nabití a vybití kondenzátoru
o Operační paměti mají ve srovnání s jinými typy vnitřních pamětí podstatně vyšší kapacitu  nutnost jiné konstrukce
o Paměti DRAM jsou konstruovány jako matice, v nichž se jedna paměťová buňka zpřístupňuje pomocí dvou dekodérů
o Řadič operační paměti adresu rozdělí na dvě části, z nichž každá je přivedena na vstup samostatnému dekodéru (jeden dekodér vybere řádek a druhý sloupec)

o Protože paměťové obvody nemohou mít příliš velký počet vývodů, je nutné, aby adresa řádku i sloupce byla předávána po stejné sběrnici
o Platnost adresy řádku a sloupce na sběrnici je dána (potvrzována) signály:
 RAS (Row Access Strobe): adresa řádku
 CAS (Coloumn Access Strobe): adresa sloupce
Paměti FPM DRAM
• Adresa řádku je stejná po celou dobu, kdy se provádí přístup k datům z tohoto řádku
• Paměti FPM DRAM umožňují přístup s burst časováním 5-3-3-3
Paměti EDO DRAM (Enhanced Data Output)
někdy uváděna jako Hyper Page Mode DRAM.
• asynchronní paměť
• oproti FPM je EDO mírně rychlejší (zhruba o 5%)
• přístupová doba 60 ns
• SIMM i DIMM modulů.
• Specifikace:
o 168 / 72 pinů
o napájecí napětí: 3.3 nebo 5V
o kapacita: až 32MB
• Data se stávají neplatnými, až v okamžiku, kdy signál CAS přechází znovu do úrovně log. 0
• Paměti EDO DRAM umožňují přístup s burst časováním 5- 2-2-2
Paměti SDRAM (Synchronized Dynamic Random Access Memory)
• synchronní paměť - pracuje synchronně podle externího taktu
• oproti EDO pamětem poskytuje vyšší výkon. Rychlejší varianty následovaly krátce poté.
• Specifikace:
o PC66 – PC133 , pracovní frekvence: 66 – 133 MHz
o propustnost: 533 - 1066 MB/s
o 168 pinů
o napájecí napětí: 3.3 V
o kapacita: ještě dnes běžně dostupná v kapacitách od 64 do 512 MB
• Pracují synchronně s procesorem
• Jsou rozděleny do banků
• Umožňují přístup s burst časováním 5-1-1-1
• Musí svou frekvencí odpovídat frekvenci systémové sběrnice
• Vyráběny s frekvencemi:
• PC66: pro systémovou sběrnici s taktem 66 MHz
• PC100: pro systémovou sběrnici s taktem 100 MHz
• PC133: pro systémovou sběrnici s taktem 133 MHz
Paměti DDR SDRAM (Double Data Rate)
• 2000 (266MHz = DDR266)
• DDR400 (PC3200) JEDEC
• DDR600 overclocking - vysoké napájecí napětí (i přes 3 V).
• nízkonapěťová verze DDR pamětí LPDDR, 1,8 – 1,9 V a vykazují až o 40% nižší spotřebu.
• Specifikace:
o DDR200 - DDR400 , pracovní frekvence: 200 – 400 MHz efektivně
o propustnost: 1,6 - 3,2 GB/s
o 184 pinů
o napájecí napětí: 2.5 V (2.6 V pro DDR400)
o 2-bit prefetch
o kapacita: 64 MB až 2 GB
Paměti DDR SDRAM
DDR SDRAM - Double Data Rate SDRAM
• Rychlejší verze SDRAM, která při stejné frekvenci dosahuje dvojnásobného výkonu
• Tohoto je dosaženo tím, že veškeré operace jsou
• synchronizovány s náběžnou i sestupnou hranou hodinového signálu (CLK)
• Provádí předvýběr dvou bitů, které ukládá do svých V/V bufferů
• Poznámka: paměťové moduly SDRAM a DDR SDRAM jsou vzájemně nekompatibilní
Paměti DDR2 SDRAM
• nástupce DDR
• vyšší dosažitelné frekvence a vyšší propustnost
• nižší napájecí napětí, nižší spotřeba
• mírně horší časování oproti DDR
• Specifikace:
o DDR2-400 – DDR2-800
o pracovní frekvence: 400 – 800 MHz efektivně
o propustnost: 3.2 – 6.4 GB/s
o 240 pinů
o napájecí napětí: 1.8 V (maximálně 1.9 V)
o 4-bit prefetch
o kapacita: 128 MB až 8 GB
• Standard vycházející z pamětí DDR SDRAM
• Data jsou čtena (zapisována) s nástupnou i sestupnou hranou hodinového signálu (podobně jako u DDR SDRAM)
• Poskytují dvojnásobnou přenosovou rychlost oproti DDR SDRAM
• Paměti DDR2 SDRAM mají asi o 50% menší spotřebu elektrické energie Napájecí napětí je 1,8 V (u DDR SDRAM je napájecí
• napětí 2,5 V)
• Dosažení vyšší přenosové rychlosti je založeno na skutečnosti, že jádro paměťového obvodu (pracující na frekvenci např. 100 MHz) může při každém čtecím cyklu předvybrat další 4 bity z paměťové matice a uložit je V/V bufferů
• Adresa předvybíraných 4 bitů je dána interní logikou paměťového obvodu
• Výsledkem je, že V/V část paměti může pracovat dvojnásobnou frekvencí oproti jejímu jádru
• Následným použitím nového komunikačního protokolu je umožněno provedení 4 transakcí během jednoho taktu¨
• Poznámka: paměťové moduly DDR2
• SDRAM a DDR SDRAM nejsou vzájemně kompatibilní
Paměti DDR3 SDRAM
• pracovní napětí 1,35V - 1.65 V
• 800 – 1600 MHz efektivně
• propustnost cca.12.8 GB/s
• snížení spotřeby
• vyšší latence
• Specifikace:
o DDR3-800 - DDR3-1600
o pracovní frekvence 800 – 1600 MHz efektivně
o propustnost 6.4 GB/s – 12.8 GB/s
o 240 pinů
o napájecí napětí od pod 1.65 V
o 8-bit prefetch
o kapacita: 1GB a výše
• Nový standard vycházející z pamětí DDR2 SDRAM
• Data jsou přenášena s nástupnou i sestupnou hranou hodinového signálu (jako u DDR a DDR2 SDRAM)
• Umožňují, aby jejich V/V sběrnice pracovala se čtyřnásobnou rychlostí oproti paměťovým buňkám
• Poskytují vyšší (teoreticky dvojnásobnou) přenosovou rychlost než DDR2 SDRAM
• Zvýšení přenosové rychlosti je dosaženo předvýběrem 8 bitů při každém čtecím cyklu a jejich uložením do V/V bufferu
• Napájecí napětí je 1,5 V
• Mají asi o 30% menší spotřebu elektrické energie než paměti DDR2 SDRAM
• Poznámka:
o paměťové moduly DDR2 a DDR3 SDRAM nejsou vzájemně kompatibilní
Dual Channel DDR
• Nejedná se o nový typ paměti, ale o novou architekturu základních desek využívající paměti DDR, DDR2 a DDR3 SDRAM
• Pro práci s pamětí se využívají dva kanály
• Data jsou přenášena po 128 bitech (64 bitů pro každý kanál)
• Tímto se minimalizují doby, kdy není možné k paměti přistupovat (memory latencies)
• Pro využití architektury Dual Channel DDR je zapotřebí:
o oba moduly ve dvojici musí mít stejné parametry
• Použití Dual Channel DDR teoreticky zdvojnásobuje přenosovou rychlost paměti

Časování pamětí
• Udává počty taktů potřebné k různým operacím, které jsou prováděny v průběhu přístupu k paměti
• Operace:
• tRCD: RAS to CAS Delay: (Row (Column) Access Strobe)
• časová prodleva (počet taktů) od okamžiku, kdy je vybrán (aktivován) řádek do doby, kdy je možné vybrat sloupec a potvrdit jej signálem CAS
• při sekvenčním čtení (zápisu) nemá příliš velký dopad, protože data jsou čtena (zapisována) na stejném řádku, který je stalé aktivní
tCL: CAS Latency:
• počet taktů potřebný k získání informace z paměťové buňky poté, kdy byl vybrán její sloupec
• uplatňuje se při každém přístupu k paměti  má největší vliv na rychlost paměti
• tRP: RAS Precharge Time:
• počet taktů nutný pro ukončení přístupu k jednomu řádku paměti a pro zahájení přístupu k řádku jinému
• ve spojení s tRCD udává počet taktů nezbytných k přechodu z jednoho řádku paměti na řádek druhý, kde již může být
• vybrán požadovaný sloupec
Paměti RDRAM (Direct Rambus DRAM)
• 1999 (Rambus, Intel)
• obsahuje rychlou RDRAM sběrnici a řadič paměti
• oproti SDRAM navýšení propustnosti ale vysoké latence
• 16 bit RIMMy, později 32 bit varianta - 10 GB/s
• vysoká cena
• vytlačeny DDR
• Specifikace:
o PC600 – PC1200
o pracovní frekvence: 300 - 600 MHz
o propustnost: 1200 – 2400 MB/s (v případě dvou kanálů na modul a 242 pin verze až 4800 MB/s)
o 184 pinů
o napájecí napětí: 1.8 V
o kapacita: 64 – 512 MB
• Technologie (architektura) navržená firmou Rambus Inc.
• Poprvé použita u herní konzole Nintendo 64
• Paměťové obvody jsou připojeny ke speciální vysokorychlostní sběrnici, tzv. Rambus Channel
• Sběrnice pro paměti RDRAM pracuje synchronně s danou frekvencí a data jsou přenášena s náběžnou i sestupnou hranou hodinového signálu
Paměti RDRAM jsou (byly) vyráběny v následujících variantách:
• Concurrent RDRAM:
o šířka datové části sběrnice je 8 bitů (9 bitů)
o šířka interní datové sběrnice jednotlivých paměťových obvodů je 64 bitů
o sběrnice pracuje s rychlostí 300 MHz, popř. 350 MHz
o přenosová rychlost je 600 MB/s (700 MB/s)
o odpovídající paměťové moduly (RIMM) jsou označovány jako PC600 a PC700
• Direct RDRAM:
o šířka datové části sběrnice je 16 bitů (18 bitů)
o šířka interní datové sběrnice jednotlivých paměťových obvodů je 128 bitů
o sběrnice pracuje s rychlostí 400 MHz, popř. 533 MHz
o přenosová rychlost je 1,6 GB/s (2,13 GB/s)
o odpovídající paměťové moduly (RIMM) jsou označovány jako RIMM1600, RIMM2100, RIMM3200, RIMM4200, RIMM6400 a RIMM8500
• Paměťový obvod je rozdělen do 32 banků
• Ke každému banku náleží sdílené operační zesilovače (split bank), které zesilují přečtenou (zapisovanou) informaci z (do) celého řádku (64 x 128 bitů = 8192 bitů)
• I/O Gating pracuje jako obousměrný multiplexor/demultiplexor, který:
o při čtení vybere požadovaných 128 bitů
o při zápisu sestaví 8192 bitů
• Při čtení je následně 128 bitů multiplexováno a po 16 bitech opouští paměťový obvod
• Při zápisu se nejprve 16bitové sady demultiplexují, čímž se vytváří 128bitová sada, která je poté přes Write Buffer a I/O Gating zapsána do paměti
• Technologie RDRAM využívá ke své činnosti „klasickou“ paměťovou buňku DRAM, která pracuje s frekvencí 100 MHz (133 MHz)
• Paměti RDRAM při své činnosti využívají i tzv. řídících registrů, které jsou zapojeny do sériové smyčky (SIn/SOut)
• V těchto registrech se uchovává např.:
o identifikace obvodu
o parametry týkající se časování paměti
o konfigurace paměti
• Vzhledem k tomu, že řídící registry jsou za-pojeny do série, tak je nezbytné, aby volné pozice pro paměťové moduly (RIMM) byly osazeny speciálním průchozím modulem (C-RIMM), který zabezpečí uzavření sériové smyčky
• Architektura RDRAM může využívat i více kanálů (max. 4) pro přenos dat mezi řadičem a paměťovými moduly
Organizace pamětí v PC
Operační paměti jsou integrovány na miniaturních deskách plošného spoje:
30-pin SIMM (Single Inline Memory Module):
• používány u většiny počítačů s procesory 80286, 80386SX, 80386 a některých 80486
• mají 30 vývodů a šířku přenosu dat 8 bitů (bezparitní) nebo 9 bitů (paritní)
• vyráběny s kapacitami 256 kB, 1 MB a 4 MB
72-pin SIMM (PS/2 SIMM):
• používány u počítačů s procesory 80486 a Pentium
• mají 72 vývodů a šířku přenosu dat 32 bitů (bezparitní) nebo 36 bitů (paritní – pro každý byte jeden paritní bit)
• vyráběny s kapacitami 4 MB, 8 MB, 16 MB, 32 MB
• DIMM (Dual Inline Memory Module):
• dnes nejpoužívanějším typem paměťových modulů
• počet vývodů:
o 168 vývodů: FPM DRAM, EDO DRAM, SDRAM
o 184 vývodů: DDR SDRAM
o 240 vývodů: DDR2 SDRAM a DDR3 SDRAM
• vyrábějí se s kapacitami 16 MB, 32 MB, 64 MB, 128 MB, 512 MB, 1024 MB, 2048 MB a 4096 MB
• šířka přenosu dat je 64 bitů
• používají se u počítačů s procesory Intel Pentium a vyššími
DIMM (Dual Inline Memory Module):
• dnes nejpoužívanějším typem paměťových modulů
• počet vývodů:
o 168 vývodů: FPM DRAM, EDO DRAM, SDRAM
o 184 vývodů: DDR SDRAM
o 240 vývodů: DDR2 SDRAM a DDR3 SDRAM
• vyrábějí se s kapacitami 16 MB, 32 MB, 64 MB, 128 MB, 512 MB, 1024 MB, 2048 MB a 4096 MB
• šířka přenosu dat je 64 bitů
• používají se u počítačů s procesory Intel Pentium a vyššími
RIMM (Rambus Inline Memory Module):
• paměťový modul pro obvody typu RDRAM
• pro Concurrent RDRAM jsou vyráběny jako:
o PC600: moduly pro frekvenci 300 MHz („600 MHz“)
o PC700: moduly pro frekvenci 350 MHz („700 MHz“)
• pro Direct RDRAM existují v následujících variantách:

• Fully Buffered DIMM (FB-DIMM)
• princip rychlého sériového rozhraní, které spojuje veškeré moduly (na jednom paměťovém kanálu)
• každý modul má AMB čip (Advanced Memory Buffer)
• řetězení modulů - až 8 modulů na kanál
• DDR SDRAM Dual-channel přístup na max. 4 moduly
• prodloužení dosahu řadiče paměti pomocí opakovače
• menší množství pinů pro obsluhu na řadič paměti
• možno použít více paměťových řadičů
• lze bez problémů použít vyšší množství paměťových modulů
Registered memory (někdy taky uváděná jako „buffered“)
• vybavena dalším čipem (registrem), které řídí jak je k paměťovým modulům a bankům přistupováno
• K paměti není přistupováno přímo, ale přes zmiňovaný registr, který řeší problémy se čtením i zápisem z jednotlivých buňek (částí paměti) v případě velkokapacitních modulů
• jakési zadržení o hodinový cyklus a „osvěžení“ řídících signálů – samotná paměť přijde do styku až s výsledkem těchto operací.
• z hlediska paměťového řadiče je přístup do paměti snažší, ačkoliv za cenu snížení výkonu běžná u serverových základních desek
• registered paměti mají běžně 2 a více adresovatelných oblastí (tak zvaný „memory rank“) s šířkou sběrnice pro DDR SDRAM 72 bitů (z toho 64 bity jsou data a 8 bitů tvoří ECC kód).
ECC
• detekce a opravy chyb (ECC, Error-Correcting Code)
• slouží ke kontrole integrity dat (nejen u operační paměti) uložených v paměti
• schopnost opravit chybu jednoho bitu (single bit error correction)
• chyba ve dvou bitech (double bit error detection)
SPD (Serial Presence Detect)
• uloženy standardní informace
• pracovní napětí
• časování pro určitou pracovní frekvenci pamětí
• Díky SPD se tak většina uživatelů nemusí o nastavení časování paměti vůbec starat, protože nastavení dle výrobce zajistí právě informace uložené na SPD čipu.
• optimální chod
Paměťové banky
• Nejmenší jednotka paměti, která může být do počítače přidána, popř. z počítače odebrána
• Velikost jednoho banku je závislá na šířce datové sběrnice procesoru
• Je nutné, aby šířka přenosu dat modulů v jednom banku byla stejná jako šířka datové sběrnice procesoru