Podręcznik

4.6. Zależności czasowe w pamięciach

Zanim przejdziemy do omawiania budowy i zasad działania poszczególnych rodzajów pamięci, poznamy w zarysie zależności czasowe przy zapisie i odczycie.

Rysunek 4 2. Zależności czasowe przy zapisie (a) i odczycie (b)

Zarówno przy zapisie, jak i przy odczycie trzeba najpierw podać adres na wejście adresowe, a w przypadku zapisu także dane, które mają być zapisane. Potem na wejście sterujące podawany jest sygnał startu zapisu lub odczytu. Przy zapisie upływa pewien czas, zanim dane zostaną zapisane (na rysunku 4-2 czas zapisu). Przy odczycie upływa pewien czas, zanim odczytane dane pojawią się na wyjściu (czas odczytu). Cykl zapisu to najkrótszy odcinek czasu, po którym można ponownie dokonać zapisu. Cykl odczytu to najkrótszy odcinek czasu, po którym można ponownie dokonać odczytu. Cechą charakterystyczną pamięci klasyfikowanych jako RAM są krótkie i zbliżone do siebie czasy zapisu i odczytu. W przypadku reprogramowalnych pamięci ROM regułą jest, że czas odczytu może być krótki (porównywalny do czasu odczytu z pamięci RAM), natomiast czas zapisu jest znacznie dłuższy.

Proste schematy zależności czasowych pokazane na rysunku 4-2 służą jedynie do ilustracji zasadniczych pojęć - czasu zapisu, czasu odczytu, cyklu zapisu, cyklu odczytu. Rzeczywiste sekwencje sygnałów przy zapisie i odczycie mogą być bardziej skomplikowane. Przykładowo, istnieją konstrukcje pamięci statycznych RAM (a także pamięci ROM), w których proces zapisu i odczytu inicjowany jest przez zmianę wartości adresu. Nie jest potrzebny odrębny sygnał startu. Z kolei w pamięciach dynamicznych stosowany jest bardziej złożony zbiór sygnałów sterujących, zależny od wewnętrznej organizacji, na przykład sposób adresowania, w którym na wejście adresowe podawana jest najpierw część adresu określająca linię słowa, a potem część określająca wybór kolumny. W takim przypadku potrzebne są sygnały synchronizujące, które inicjują najpierw wybór wiersza (linii słowa), potem kolumny, a na koniec uruchamiają proces odczytu.

Jeszcze bardziej złożone sposoby sterowania działaniem pamięci występują przy najszybszych dynamicznych pamięciach RAM, zwanych synchronicznymi. Pamięci takie stosuje się na płytach głównych współczesnych komputerów. Działanie tych pamięci jest synchronizowane zegarem. Przy zapisie dane muszą być dostępne na wejściu danych w tym samym cyklu zegara, w którym następuje zapis, natomiast przy odczycie dane są podawane na wyjście z opóźnieniem kilku cykli zegara w stosunku do cyklu, w którym podany został sygnał odczytu. Ta liczba cykli (w oznaczeniu pamięci określana symbolem CL, ang. „cycle latency”) wynosi od 2 - 3 przy częstotliwościach zegara rzędu 100 MHz aż do 7 - 9 przy częstotliwościach rzędu 1 GHz. Organizacja wewnętrzna pamięci umożliwia odczyt potokowy: podczas oczekiwania na transfer pierwszej porcji odczytanych danych można przesyłać do pamięci kolejne sygnały odczytu, dzięki temu na odczyt następnych porcji danych nie będzie już trzeba czekać równie długo. Ponadto wszystkie współcześnie produkowane pamięci dynamiczne umożliwiają dwa transfery danych na jeden takt zegara, reagując zarówno na rosnące, jak i opadające zbocze sygnału zegarowego. Takie pamięci oznaczane są symbolem DDR (ang. „Double Data Rate”). Oto przykład zależności czasowych dla szybkiej pamięci dynamicznej oznaczanej jako DDR3 1600 CL7 (częstotliwość zegara 800 MHz): przy kolejnym odczycie 8 słów pierwsze pojawia się po 8,75 nanosekundy, ostatnie już po 13,125 nanosekundy. Mimo tych udoskonaleń czas odczytu z pamięci jest jednym czynników poważnie ograniczających wydajność obliczeniową komputerów. Dlatego powszechnie stosowane są podręczne pamięci (ang. cache) o mniejszych pojemnościach, ale znacznie szybsze, które służą do przechowywania danych często i wielokrotnie wykorzystywanych przez procesor. Te pamięci są realizowane jako statyczne pamięci RAM.  

Szczegółowe omawianie wielu istniejących sposobów organizacji pamięci i sterowania ich pracą wykracza poza zakres tych materiałów. Producenci pamięci podają wszystkie potrzebne informacje w katalogowej dokumentacji technicznej.