Pamte potaa zkladn klasifikcia pamt a ich vlastnosti

Pamäte počítača základná klasifikácia pamätí a ich vlastnosti Jaromír Tříska, 2020

Určenie pamäti l l Pamäť predstavuje neoddeliteľnú súčasť výpočtového systému Poskytuje priestor na uloženie dát, s ktorými má systém pracovať Operačná pamäť CPU zbernica Vstupné a výstupné zariadenia Vonkajšie pamäte Jaromír Tříska, 2020

Parametre pamätí l l l Hlavné parametre: kapacita (k. B, MB, GB, TB, PB, EB) vybavovacia doba – určuje čas za aký čas sú dáta uložené, alebo načítané (ms, μs, ns) l Ďalšie parametre: l typ zbernice, cez ktorú pamäť komunikuje (sériová, paralelná) l l l počet bitov paralelnej zbernice, takt zbernice), typ rozhrania –radič pamäte ďalšie parametre, závislé od vlastností pamätí. . . Jaromír Tříska, 2020

Ďalšie vlastnosti pamätí l l l s vývojom výpočtových systémov sa objavuje množstvo rôznych riešení pamätí s rôznymi vlastnosťami vlastnosti pamätí sú závislé od ich určenia (konkrétnej funkcie vo výpočtovom systéme), od princípu, na ktorom pracujú, konkrétneho technologického prevedenia atď. podľa týchto kritérií pamäte klasifikujeme do rôznych skupín klasifikácia usnadňuje pochopenie vlastností pamätí a poskytuje terminológiu pre komunikáciu medzi technikmi v zaužívanej terminológii sa objavujú určité nepresnosti, dané historickým vývojom a zvyklosťami; je nevyhnutné porozumieť podstate a princípom a nespoliehať sa iba na povrchnú klasifikáciu Jaromír Tříska, 2020

Delenie pamätí podľa hlavných vlastností l l l podľa funkcie vo výpočtovom systéme - vonkajšie a vnútorné podľa fyzikálneho princípu vytvorenia záznamu podľa organizácie dát podľa energetickej závislosti prepisovateľné a neprepisovateľné Jaromír Tříska, 2020

Typické metódy delenia pamätí: vonkajšia – vnútorná l l l Vnútorná – je priamo adresovateľná procesorom (operačná pamäť) Vonkajšia – údaje sa musia najskôr previesť do vnútornej pamäte, procesor dokáže údaje čítať až odtiaľ Vyrovnávacia – cache – slúži na vyrovnanie rozdielov v rýchlosti práce s dátami v rôznych subsystémoch výpočtového systému Jaromír Tříska, 2020

Typické metódy delenia pamätí: podľa organizácie záznamu l Serial Access Memory – SAM FIFO l l LIFO Random Access Memory – RAM Špeciálna kategória: Content Access Memory – CAM – Určenie: umelá inteligencia, triediace, informačné a štatistické stroje (internetové vyhľadávače) Jaromír Tříska, 2020

Metódy organizácie záznamu: sekvenčný prístup, ľubovoľný prístup l sekvenčný (sequential) SAM: v procese čítania aj zápisu sa prechádza všetkými pamäťovými bunkami l ľubovoľný (random) RAM: proces čítania aj zápisu aktivuje priamo konkrétnu pamäťovú bunku Jaromír Tříska, 2020

Delenie pamätí podľa typu záznamu SAM Jaromír Tříska, 2020

Delenie pamätí podľa typu záznamu – SAM: First In First Out Princíp zápisu a čítania FIFO Fronta - Queue Jaromír Tříska, 2020

Delenie pamätí podľa typu záznamu – SAM: First In Last Out Princíp zápisu a čítania LIFO Zásobník - Stack Jaromír Tříska, 2020

Seriový prístup do pamäte – praktické aplikácie l Základný seriový Interface RS 232 používa FIFO pre vysielanie aj prijímanie dát Jaromír Tříska, 2020

Seriový prístup do pamäte – praktické aplikácie Takisto 8 -portový seriový Interface RS 232 aj PCIe Ethernet Card používajú FIFO pre vysielanie aj prijímanie dát Jaromír Tříska, 2020

Seriový prístup do pamäte – praktické aplikácie Implementácia FIFO a SRAM v mikrokontroléroch ARM Jaromír Tříska, 2020

Delenie pamätí podľa typu záznamu CAM Content-addressable memory nazýva sa tiež asociatívna pamäť (associative memory) Príklad: Vyhľadávače, ako napr. Google, Bing, Yahoo! • adresovanie je orientované na obsah pamäťovej bunky • Princíp: užívateľ zadá hľadané dáta (napríklad určité slovo) a systém mu zašle zoznam adries pamäťových buniek (úložísk), kde sa dané slovo nachádza • využíva sa v systémoch umelej inteligencie, Jaromír Tříska, 2020

Typické metódy delenia pamätí: prepisovateľná – neprepisovateľná l Prepisovateľné - Read and Write Memory – RWM (polovodičové – operačná pamäť, HDD, FDD, prepisovateľné CD a DVD, flash pamäte) l l Neprepisovateľné – Read Only Memory – ROM (polovodičové ROM, CD ROM, DVD ROM. . . ) Neprepisovateľné s možnosťou jediného zápisu (CD R, DVD R, polovodičové PROM a EPROM) Jaromír Tříska, 2020

Typické metódy delenia pamätí: Podľa energetickej závislosti l l Energeticky závislé – potrebujú napájanie, bez napájania sa údaje stratia (operačná pamäť počítača) Energeticky nezávislé – pre uchovanie informácie nepotrebujú napájanie (diskové pamäte, flash pamäte, . . . ) Jaromír Tříska, 2020

Typické metódy delenia pamätí: Podľa fyzikálneho princípu vytvorenia a čítania záznamu l l l l Magnetický Optický Magnetooptický Elektrostatický Polovodičové pamäte Memristory Mechanický, elektromechanický Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Magnetický záznam Princíp záznamu: l l l Cievkou v hlavičke preteká prúd, ktorý generuje magnetické pole Orientácia magnetického poľa je daná smerom prúdu Magnetická siločiara sa uzatvára cez záznamový povrch, ktorý zmagnetizuje l Záznamová vrstva je z feromagnetického, resp. superparamagnetického materiálu l Orientácia magnetického poľa určuje zaznamenanú hodnotu – log „ 0“ alebo „ 1“ Jaromír Tříska, 2020

Hysterézna slučka Určuje závislosť medzi intenzitou pôsobiaceho magnetického poľa H a vnútornou hodnotou magnetickej indukcie B Tvar krivky vyjadruje základné vlastnosti magnetického materiálu Dôležité body na krivke: • • • Bs – hodnota saturácie Br – remanentná indukcia Hk – koercitívna sila Dolný obr: Modrá krivka – mag. tvrdý materiál Červená krivka: mag. mäkký materiál Zelená krivka: superparamagnetický mat. Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Magnetický záznam Praktické prevedenia pamätí na magnetickom princípe – veľa implementácií Obrázok prevzatý z Černík: Počítače včera, dnes a zajtra 1 Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Magnetický záznam l Magnetické pásky ako zálohovacie médium je stále (r. 2020) ponúkané v širokom sortimente a v kapacitách od 2, 5 TB do 60 TB l https: //dataprofi. cz/kategorie/datamedia/ Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Optický záznam Obrázok prevzatý z Černík: Počítače včera, dnes a zajtra 1 Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Optický záznam – praktická implementácia l l l CD – laser 780 nm DVD – laser 635 – 650 nm Blue-Ray – laser 405 nm Kratšia vlnová dĺžka lasera -> zvýšenie hustoty záznamu -> zvýšenie kapacity disku (na 1 povrch) l Varianty: l l ROM – lisované R – uživateľ môže 1 x zapisovať RW – viacnásobne prepisovateľný Viacvrstvové médiá – viac vrstiev v jednom povrchu Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Optický záznam Ultra Density Optical disk viacvrstvový záznam s použitím Blue -Ray – 405 nm lasera kombinuje v sebe aj technológiu MO l (podľa niektorých zdrojov – napr. Wikipédia, niektorí predajcovia) Vlastnosti: – Vysoká hustota záznamu – Princíp záznamu je založený na zmene fázy záznamového materiálu – Kapacita 30 GB (UDO) a 60 GB (UDO 2) na disk Garantovaná trvácnosť záznamu je 50+ rokov – Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Magnetooptický záznam Princíp magneto-optického záznamu: l l l Záznamová vrstva je tvorená materiálom, ktorý pri zohriatí nad Curieho teplotu môže pôsobením magnetického poľa meniť svoje optické vlastnosti (ovplyvnená je schopnosť zadržiavať /prepúšťať iba v určitej rovine polarizované svetlo) Záznamová vrstva sa zohrieva laserom, požadovanú orientáciu magnetického poľa zabezpečuje cievka Po ukončení zohrievania laserom ostane materiál v stave danom magnetickým poľom (optické vlastnosti záznamovej vrstvy) Pri čítaní záznamu sa využíva polarizované svetlo (laser), ktoré sa od bodov s jedným druhom polarizácie povrchu záznamového média odrazí a pri opačnej polarizácii je lúč pohltený Princíp čítania je veľmi podobný klasickým optickým médiám (CD, DVD) Existujú „combo“ mechaniky, ktoré dokážu čítať CD, DVD aj MO disky https: //en. wikipedia. org/wiki/Magneto-optical_drive Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Magnetooptický záznam http: //machineryequipmentonline. com/electric-equipment/wp-content/uploads/2016/01/Digital-Audio-Recording -Basics-0416. jpg Jaromír Tříska, 2020

Fyzikálne princípy vytvorenia záznamu Elektrostatický záznam Obrázok prevzatý z Černík: Počítače včera, dnes a zajtra 1 • • • Pri zápise sa na bod záznamového povrchu privedie elektrostatický náboj ak zaznamenávame log „ 1“, hodnota log „ 0“ je stav bodu povrchu bez náboja Trvácnosť náboja je časovo veľmi obnedzená – vyžaduje sa stály refresh Pri čítaní sa bod, nesúci náboj vybije cez el. obvod – je zaznamenaný impulz Čítanie automaticky zruší uložený záznam (čítanie záznamu je deštrukčné) Dnes prekonaná technológia, v minulosti využívaná na záznam obrazu Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové pamäte sa delia ďalej na: l Prepisovateľné – RWM l Neprepisovateľné - ROM Intel 1103 DRAM kapacita 1 kbit Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte l l l Statické SRAM – pamäťová bunka je tvorená bistabilným preklápacím obvodom Dynamické DRAM – pamäťová bunka je tvorená unipolárnym tranzistorom CMOS pamäť – pamäťová bunka je tvorená zapojením komplementárnej dvojice unipolárnych tranzistorov Napájanie potrebujú všetky – statické, dynamické aj CMOS, všetky sú energeticky závislé Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Statické l l Realizácia - bistabilné preklápacie obvody, stav preklopenia obvodu určuje zapamätanú hodnotu. Obsahujú viacero súčiastok na bunku (minimálne 2 tranzistory, v praxi spravidla 8 tranzistorov na 1 bit pamäte); sú veľmi rýchle, technologicky sú náročnejšie, preto sú drahšie ako DRAM, nepotrebujú refresh. Použitie – cache pamäte, rýchle pamäte na grafických kartách, pamäte vo switchoch. . . Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Statické Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Statické Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Statické Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Dynamické l l Realizácia – sú tvorené spravidla jediným tranzistorom pre každý bit pamäte, ako pamäťový prvok využívajú poľom riadené tranzistory. Princíp: využívajú kapacitu elektródy Gate voči substrátu. Prítomnosť alebo neprítomnosť náboja na G určuje zapamätanú hodnotu a súčasne určuje stav tranzistora (otvorený, zatvorený). Samovoné vybíjanie náboja – nutnosť refresh zapamätanej informácie na G v intervale desiatok nanosekúnd. Technologicky jednoduché, sú pomalšie ako statické, 1 pamäťová bunka = 1 tranzistor, lacné. Použitie – operačná pamäť typu RAM. Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Dynamické Principiálna schéma pamäťovej bunky DRAM https: //www. electricaltechnology. org/wp-content/uploads/2020/05/DRAM-or-Dynamic-RAM-Memory-Cell. png Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Dynamické Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Dynamické Základom štruktúry pamäte DRAM je NMOS tranzistor Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Dynamické Jaromír Tříska, 2020

Súčasné DRAM pamäte – realizácia v 3 D Jaromír Tříska, 2020

Rôzne technológie realizácie RAM pamäťovej bunky Jaromír Tříska, 2020

Vývoj polovodičových dynamických pamätí – operačná pamäť l l l DRAM – v počítačoch sa používa od r. 1970, kapacita 1 kbit na chipu Ako pamäťový prvok je použitý MOS tranzistor, v počiatkoch P-MOS, dnes NMOS, vyžaduje neustály refresh, pracuje v asynchrónnom režime l Fast. Page. Mod DRAM -asynchrónna, urýchľuje procesor zápisu a čítania s využitím stránkovania (trieda PC: 386, 486) Edo. DRAM –asynchrónna, pri čítaní dát sú dáta presunuté do vyhradených buniek na výstup, dlhšie sú držané na výstupe, v priebehu čítania dát sa môže pripravovať ďalšia adresa. Z toho vyplýva mierne urýchlený proces čítania (éra 486) Bedo. DRAM – asynchrónna, vylepšenie o techniku súčasného načítania 4 adries. (rada prvých Pentií) l l l SDRAM – je to DRAM vylepšená o synchronizáciu prostredníctvom Front. Side. Bus zbernice. Pamäť pracuje na rovnakom takte ako FSB, t. j. 66, 100 a 133 MHz. Vybavovacia doba: 8 -12 ns. Podpora stránkovania (éra Pentií až Pentium III) DDR SDRAM – využíva na zápis aj čítanie nábehovú aj zostupnú hranu taktovacieho signálu, efektívne teda pracuje na dvojnásobnej frekvencii oproti fyzickému taktu DDR 2, DDR 3, DDR 4 – vedia pracovať na vyšších taktovacích frekvenciách DDR 5 – ohlásená na trh v r. 2020 RDRAM – pamäte fy. Rambus, so seriovým prístupom, nepresadili sa Re. RAM – pamäte postavené na memristoroch Jaromír Tříska, 2020

Fyzická realizácia pamäťových modulov: l l l DIL – dual in line – klasické obvody SIMM – single in-line memory modul – vývody má len v jednej rade DIMM – dual inline memory modul – SD RAM pre zbernicu s šírkou 64 bit patria do éry počítačov typu Pentium až Pentium III Súčasnosť – DDR moduly rôzneho prevedenia RIMM – sériové pamäte z ponuky firmy RAMBUS, aktuálne po r. 2000, dnes opustená tchnológia Jaromír Tříska, 2020

Fyzická realizácia pamäťových modulov): DIL Jaromír Tříska, 2020

Fyzická realizácia pamäťových modulov: SIMM SIPP 30 pin SIMM 72 pin Jaromír Tříska, 2020

Fyzická realizácia pamäťových modulov: DIMM, DDR DIMM 168 pin DIMM DDR 184 pin Jaromír Tříska, 2020

Fyzická realizácia pamäťových modulov: DDR 2, DDR 3 DIMM DDR 3, DIMM DDR 2 240 pin Jaromír Tříska, 2020

Fyzická realizácia pamäťových modulov: RIMM 184 pin (var. „dual channel 32 bit mal 242 až pinov) Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Complementary Metal Oxide Semiconductor l l CMOS pamäť – prepisovateľná, energeticky závislá pamäť, pri využití CMOS obvodov, veľmi nízka spotreba. V tejto pamäti sú v PC uchované informácie o základnej HW konfigurácii počítača, systémový dátum a čas. Obvod je napájaný z malej batérie a tak jeho obsah ostáva zachovaný aj po vypnutí napájacieho napätia počítača Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové prepisovateľné pamäte Complementary Metal Oxide Semiconductor Principiálna schéma zapojenia CMOS obvodu CMOS pamäť je v systéme PC používaná na uchovanie konfigurácie SETUP BIOS CMOS pamäť je na MB PC napájaná z miniatúrnej batérie Jaromír Tříska, 2020

Štruktúra CMOS Jaromír Tříska, 2020

Polovodičové pamäte l l l ROM – záznam uložený při výrobe PROM – záznam si ukladá zákazník, neprepisovateľná EPROM - záznam si ukladá zákazník, obmedzene prepisovateľná – mazanie UV žiarením l EEPROM - záznam si ukladá zákazník, obmedzene prepisovateľná – mazanie elektrickým prúdom l Flash – špeciálna kategória Sú energeticky nezávislé Jaromír Tříska, 2020

Štruktúra EPROM Základom štruktúry pamäťovej bunky typu FLASH je unipolárny tranzistor s plávajúcim hradlom, ktoré dokáže udržať náboj a tým predpätie na GATE aj pri odpojenom napájacom napätí Jaromír Tříska, 2020

Štruktúra EPROM Technologické prevedenie EPROM štruktúry http: //img. tfd. com/cde/EPROM. GIF Jaromír Tříska, 2020

Neprepisovateľné polovodičové pamäte l l l ROM – informácia sa ukladá priamo pri výrobe obvodu, je neprepisovateľná M- ROM – špeciálny prípad ROM, štruktúra obvodu je rovnaká pre rôzne informácie, ale pri výrobe sa použije posledná maska s už uloženou informáciou – M- ROM sa zmení na ROM P –ROM – (Programable ROM ) – vyrobený obvod nenesie žiadnu informáciu, pred prvým použitím obvodu sa pomocou elektrického výboja prerušia určité kontakty v poslednej vodivej vrstve – do obvodu sa „uloží“ informácia. Nedá sa prepisovať, zmení sa na ROM EPROM (Erasable Programable ROM) – vychádza z P-ROM, namiesto výboja, ktorý preruší niektoré spoje, sa použije elektrický náboj, privedený na Gate, ktorý spôsobí otvorenie tranzistora – uloženie informácie. Náboj udrží hradlo otvorené po veľmi dlhý čas – dni až roky. Po vyprchaní náboja je potrebné informáciu znova uložiť. Zmazať informáciu (vybiť náboj) je možné pomocou UV žiarenia, ktorému sa obvod vystaví na dobu cca 15 min. EEPROM – vylepšená EPROM, ukladanie aj mazanie údajov je možné elektrickým napätím, informácia ostáva uložená aj po odpojení Jaromír Tříska, 2020 napájacieho napätia

Polovodičové pamäte Flash l l l Technologicky sa vyvinuli z EEPROM umožňujú mnohonásobné a rýchle prepisovanie informácie, sú energeticky nezávislé Technicky sa pamäťové bunky Flash pamäte realizujú ako ochudobňovací NMOS tranzistor s dvomi hradlami nad sebou - riadiace hradlo je na vrchu a druhé, tzv. plávajúce hradlo, ktoré je samotným nosičom informácie, je pod ním odizolované zdola aj zhora (aj zo všetkých strán). Pomocou horného hradla sa tunelovým javom nainjektujú do dolného hradla elektróny, ktoré tam ostanú uväznené - tie potom vytvárajú pole, ktoré ochudobňuje prechod. Jaromír Tříska, 2020

Memristor l l l l Celkom nový princíp pamäte Pracuje na základe zmeny rezistivity od veľkosti preneseného náboja Energeticky nezávislá Proces zápisu / čítania predstavuje energetickú náročnosť na úrovni 1 % v porovnaní s Flash pamäťou Umožňuje zaznamenať veľa stavov v jedinej pamäťovej bunke (nie iba bit „ 1“ a „ 0“, ale napr. celý Bajt) Obrovská rýchlosť, veľká kapacita Ambícia nahradiť v počítači súčasne RAM aj SDD, jedinou pamäťou Nie je definitívne komerčné riešenie, je v štádiu vývoja, na ktorom sa dnes podieľajú prakticky všetky významnejšie firmy v oblasti PV techniky l l https: //en. wikipedia. org/wiki/Memristor https: //sk. wikipedia. org/wiki/Memristor Jaromír Tříska, 2020

Memristor Jaromír Tříska, 2020

Použité zdroje: l l l l Andrej Černík: Počítače včera, dnes a zajtra 1. , IRIS 1997 http: //www. svethardware. cz/art_doc-53 D 8 F 3993772 ECFBC 1257205005 DA 285. html http: //sk. wikipedia. org/wiki/Flash_pam%C 3%A 4%C 5%A 5 http: //smtfocus. co. kr/Photo/201606 -tf 2 -16. jpg https: //upload. wikimedia. org/wikipedia/commons/thumb/6/62/Cmos_impurity_profile. PNG/500 px. Cmos_impurity_profile. PNG http: //img. tfd. com/cde/EPROM. GIF https: //www. electricaltechnology. org/wp-content/uploads/2020/05/DRAM-or-Dynamic-RAM-Memory-Cell. png https: //www. researchgate. net/publication/333711480/figure/fig 2/AS: 768787569704961@1560304648219/CMOSFETswhere-input-voltage-is-applied-to-A-and-output-is-extracted-by-the-voltage-of-Q_Q 320. jpg https: //www. elprocus. com/wp-content/uploads/Memristor-1024 x 858. png http: //www. extremetech. com/wp-content/uploads/2012/06/intel-spin-valve-memristor-crossbar-switch 1 -640 x 372. jpg https: //www. extremetech. com/wp-content/uploads/2015/05/Memristorchip 1 -e 1431437126644. jpg https: //www. researchgate. net/profile/Alex_James/publication/ https: //maxoptix. com/categories/UDO-Disks/ Jaromír Tříska, 2020

Opakovanie: vlastnosti niektorých pamäťových subsystémov počítača l Cache – – l Energ. závislá RWM RAM Statická Zásobníková pamäť procesora – – l Energ. závislá RWM SAM, FIFO alebo LIFO Dynamická Buffer sieťovej karty – – l Energ. závislá RWM SAM, FIFO Dynamická Pamäť na grafickej karte – – Energ. závislá RWM RAM Statická Jaromír Tříska, 2020

Opakovanie: vlastnosti niektorých pamäťových subsystémov počítača l l HD, FD – Energ. nezávislá – Výber alokačnej jednotky je riešený systémom RAM, zápis a čítanie vnútri alokačnej jednotky je riešený systémom SAM – RWM CD, DVD – Energ. nezávislá – SAM (pri paketovom spôsobe zápisu DLA je kombinácia RAM/SAM podobne ako u HD a FD) – Optický princíp – Prepisovateľné - RWM – Neprepisovateľné - ROM l l Magnetooptické disky – Energ. nezávislá – SAM (pri paketovom spôsobe zápisu DLA je kombinácia RAM/SAM podobne ako u HD a FD) – Magnetooptický princíp – Prepisovateľné - RWM – Neprepisovateľné – ROM USB flash pamäť (kľúč) – Energ. nezávislá – RWM – RAM – Dynamická – Flash Jaromír Tříska, 2020