3.5.4. Radna memorija

RAM (Random Access Memory) je RADNA MEMORIJA računala, memorija sa slučajnim pristupom, odnosno pozvani program ne mora se pri ponovnom učitavanju upisati na iste memorijske lokacije, jer je u međuvremenu dio njih okupiran nekom drugom zadaćom. RAM nije u stanju dugo pamtiti sadržaj, osim u specijalnim tehnološkim izvedbama - SRAM (Static RAM), te se posredstvom DMA sklopova vrši osvježavanje (obnavljanje) zapamćenog sadržaja. Otud naziv DRAM (Dynamic RAM). Osvježavanje memorije oduzima oko 5% vremena u komunikaciji između pojedinih sklopova računala. Veličina radne memorije od velikog je značaja za uporabljivost računala. RAM čipovi umeću se u posebne za to predviđene utore od kojih svaki najčešće predstavlja jednu 'banku memorije' ili pak više utora sa čipovima tvore jednu banku. Česta oznaka modula je SIMM (Single In-line Memory Module) s najčešće 30, 72, 144, 168 ili 240 pin-ova na modulu za priključak u utor, ovisno o izvedbi i vrsti. Logička organizacija pristupa modulima izvodi se po 'bankama'. Memorija se dijeli u banke memorije a svaka od banaka može obuhvaćati jedan ili više modula. Važno je da banka mora biti 'puna', odnosno ako je predviđeno da banka obuhvaća dva utora, oba dva moraju biti 'napunjena' s modulima. Računalo će raditi ako ima barem jednu 'napunjenu' banku.

Pristup memoriji organiziran je kao dohvat memorijske ćelije u matrici stupaca i redaka te se prije samog dohvata podatka treba signalom retka RAS (Raw Address Strobe) i stupca CAS (Column Address Strobe) odrediti koja je ćelija u pitanju te je tek tada moguće očitati njen sadržaj. DRAM po očitavanju gubi sadržaja te se prije 'napuštanja' ćelije sadržaj mora ponovo upisati. Vrijeme potrebito za određivanje stupca i retka i dohvat podatka naziva se vrijeme pristupa (access time) i iznosi obično od 7ns do 70ns za DRAM, a manje od 1ns za SRAM. Vremenu pristupa treba kod DRAM pridodati i vrijeme ponovnog upisa podatka te se dobije trajanje CIKLUSA MEMORIJE.

Kako je SRAM mnogo skuplji od DRAM, ali i brži, DRAM se koristi kao radna memorija za obrade, a SRAM kao brza priručna memorija (cache) koja služi mikroprocesoru za interne radnje kao privremeno skladište podataka dok se ne omogući pristup sporijem DRAM-u, a koristi se i kao međumemorija u komunikaciji sa stalnom memorijom (tvrdi disk i slično).

Slika 3.5.10 Načelo rada upravljača priručne memorije.

Distribuciju između SRAM, DRAM i mikroprocesora obavlja upravljač priručne memorije. Slično načelo može se koristiti za ubrzavanje čitanja i upisivanja podataka na tvrdi disk. No ako programska potpora ne prepoznaje da li su podaci pohranjeni u priručnoj memoriji ili na tvrdom disku i ne vrši blagovremeno pohranjivanje iz priručne memorije na disk može doći do gubljenja podataka po prekidu rada programa. Stoga je dobro sustav organizirati na način da priručna međumemorija djeluje samo u postupku čitanja podataka s tvrdog diska.

Primjer IV

Elektronička izvedba ROM-a u diodnoj i MOS tehnologiji.

Slika* 3.5.11 Matrica ROM-a izvedena u diodnoj i MOS tehnologiji. ( + / - )

Diode su elektronički elementi koji provode struju u smjeru 'A=>K', a u smjeru 'K=>A' ne provode. Slova 'A' i 'K' su početna slova naziva elektroda diode (anoda, katoda). Ako je mikroprocesor preko adresnog dekodera poslao napon na adresni vod, pojaviti će se napon samo na onim vodovima čitanja koji su preko diode vezani za adresni vod pod naponom. Na vodovima čitanja pojavljuje se binarna kombinacija 'napona' koja odgovara jednom od adresnih vodova pod naponom.

Ne može se istovremeno adresirati više adresnih vodova već se očitavanje sadržaja mora obaviti vod po vod (adresu po adresu). Ako bi bilo osam vodova čitanja na njima bi se pojavile različite osam bit-ne kombinacije napona u zavisnosti od adrese i kombinacija dioda.

Slično se ponašaju MOS elementi koji uzemljuju vod čitanja ako se na adresnom vodu pojavi napon. Načelo rada MOS tranzistora najlakše je predočiti kao rad ventila koji provodi u smjeru 'S=>D' pod kontrolom napona na elektrodi 'G'. Slova 'S', 'D' i 'G' početna su slova naziva elektroda MOS tranzistora (source, drain, gain).

Pri izradi PROM-a serijski se uz diodu (ili MOS tranzistor) postavlja taljiva veza koja se pomoću punioca prekida na potrebnim mjestima kako bi se dobile odgovarajuće kodne kombinacije za pojedine adresne vodove.

Na sličan način organizira se i matrica RAM-a s razlikom da je uz čitanje omogućeno i upisivanje pod kontrolom jednog ili dva adresna voda za svaki memorijski element. Mada se memorije mogu izraditi i drugačijim tehnologijama od MOS tehnologije, nijedna od njih ne daje tako malu potrošnju električne energije i broj elemenata po volumenu. Gotovo svi sklopovi računala izrađuju se u nekoj vrsti MOS tehnologiji.

Primjer V

Elektronička izvedba SRAM (Statički RAM) memorijske ćelije.

Slika* 3.5.12 Memorijski element SRAM. ( + / - )

Pamćenje električnog napona omogućavaju tranzistori 'T3' i 'T4' kojima su vlastiti ulazi povezani s izlazom drugoga te su im stoga izlazi na otporima 'R' uvijek suprotne razine. U osnovi radi se o primjeni bistabila (flip-flop). Na taj način ostvaruje se da jedan tranzistor vodi a drugi ne vodi struju i u zadržavanju tog stanja međusobno se podržavaju. Vraćanjem izlaza jednog tranzistora na ulaz drugog ostvaruje se električka pozitivna povratna sprega, koja potpomaže iniciranu promjenu stanja pojedinih tranzistora te se stoga prebacivanje tranzistora iz jednog stanja u drugo (provodi - ne provodi) odvija vrlo brzo jer je u suštini proces prebacivanja kumulativan. Stanje oba tranzistora može se izmijeniti samo vanjskim utjecajem. Izmjena se vrši tako da adresni vod upisa i čitanja (W - Word line) omogući provođenje tranzistora 'T1' i 'T2', a preko voda upisa (BL - Bit line) postaviti će se naponska razina (0 ili 1 simbolički) koju će 'T3' prihvatiti. 'T4' će automatski uzeti suprotnu razinu od 'T3'. Par 'T3' i 'T4' zadržati će postojeće stanje sve dok ima napajanja strujom (+U) i dok se ne dovede na 'T3' razina napona njemu suprotna.

Dakle, osnovni element za pamćenje podatka su tranzistori ('T3' i 'T4'). Očitavanje stanja je slično. Napon na adresnom vodu omogućiti će da provedu tranzistori 'T1' i 'T2' te da se razina 'T4' prenese na vod očitavanja (non BL) te potom na jedan od vodova sabirnice podataka.

Dakle, memorijska ćelija pamti stanje koje je u njoj pohranjeno sve dok ima izvora energije ili dok se stanje ne promjeni. Kako su vodovi čitanja odvojeni od vodova upisa odmah se može očitavati svaka promjena u memorijskoj ćeliji što pridonosi većoj ukupnoj brzini rada.

Primjer VI

Elektronička izvedba DRAM (Dinamički RAM) memorijske ćelije:

Slika* 3.5.13 Memorijski element DRAM. ( + / - )

Element pamćenja ove ćelije je naboj na kondenzatoru 'C'. Napon na adresnom vodu omogućiti će provođenje tranzistora 'T' te da se preko voda upisa i čitanja (BL) nabije kondenzator 'C'. Ako se stanje kondenzatora želi očitati preko adresnog voda upisa i čitanja (W) omogućiti će se provođenje tranzistora 'T' i naboj na kondenzatoru 'C' postavlja na vodu upisa i čitanja naponsku razliku. Kako se kondenzator pri tome prazni treba obnoviti njegov naboj (precharge), odnosno ponovno upisati sadržaj. No kako se naboji na kondenzatorima ćelija bez obzira na očitavanje vremenom gube potrebito je u pravilnim vremenskim razmacima izvršiti OSVJEŽAVANJE (REFRESH) sadržaja cjelokupne memorije. Da bi se kondenzator 'C' nabio potrebno je neko vrijeme, što ovu vrstu memorije čini znatno sporijom u odnosu na SRAM tip memorije za nekoliko redova veličine, ali i znatno jeftinijom jer u odnosu na SRAM treba puno manje elemenata za izradu jedne memorijske ćelije.

Izvedbe DRAM kao što su Rambus DRAM - RDRAM i Synchronous DRAM - SDRAM imaju osobitost da pod nadzorom chipset-a rade u sinkronizaciji s vanjskom sabirnicom mikroprocesora - FSB (Front Side Bus) te se ubrzava razmjena podataka između mikroprocesora i njih. SDRAM je tip memorije koji u DDR (Double Data Rate) izvedbi radi po načelu očitavanja stanja ćelija na višestruko većem radnom taktu od sabirnice. Izrađuju se u verzijama DDR1 (200-550 MHz), DDR2 (500-1066 MHz), DDR3 (800-1600 MHz) i DDR4 (>1600 MHZ), a razvijene s u svrhu povećanja radne brzine kako bi se brzina očitavanja memorije izjednačila s brzinom vanjske FSB sabirnice mikroprocesora. Osim toga svaka naredna serija radi s manjim radnim naponima te stoga manjom potrošnjom. Potrošnja izravno ovisi o tome koliko je memorijskih chip-ova ugrađeno u memorijski modul. Memorijski kapacitet samih modula vrlo je raznolik i zavisi od vrste memorijskog modula i mogućnosti chipset-a. U dokumentaciji matične ploče navodi se kakvi moduli moraju biti te koliko i kako ih se može uporabiti.

Važno je napomenuti da su DRAM memorijski moduli koji se koriste u računalima opće namijene Non-ECC tipa. Prema slici  3.5.13b nedostaje jedan čip za kontrolu pariteta upisanih ili očitanih podataka iz memorijske lokacije glede ispravljanja eventualne greške (Error-correcting code memory). Naime, ovisno o sadržaju podataka prilikom upisa u ECC memoriju dodaje im se "0" ili "1" prije upisivanja podatka u memorijsku lokaciju, što se čuva u dodatnom čipu, kako bi ukupni broj nula ili jedinica bio paran (parity check), te se navedeno stanje kontrolira prilikom očitavanja sadržaja memorijske lokacije. No, dodatni čip poskupljuje sam modul a i upravljački sklopovi su kompleksniji. Glede navedenog, ECC memorijski moduli uglavnom se koriste u poslužiteljima. Koju vrstu modula podržava matična ploča treba provjeriti uvidom u njenoj dokumentaciji.

SAŽETAK:

Dakle, RADNA MEMORIJE (RM) služi računalu da se u nju učitaju podaci i / ili programska potpora iz spore trajne memorije te ih mikroprocesor koristi u svom radu. Iz navedenog je jasno da se sadržaj spremljen u radnoj memoriji neprekidno mijenja. U osnovi radna memorija je DRAM tipa, koja je jednostavnija za izradu i stoga jeftinija, a glede ubrzavanja upisa podataka u nju pojedini sklopovi i uređaji računala koriste po kapacitetu znatno manju ali brzu međumemoriju (cache) SRAM tipa, složeniju za izradu i skuplju.

Kako nebi došlo do zapunjenja radne memorije zbog npr. ogromne veličine podataka (kao slika), operativni sustavi obično se dizajniraju tako da se dio trajne memorije proglasi kao radna memorija. Taj dio naziva se VIRTUALNA MEMORIJA (VM) i realizira se kao zasebna particija diska (SWAP particija kod Unix-Linux OS) ili kao datoteka (PAGEFILE.SYS datoteka kod Windows OS). OS ne mora nužno koristiti ovaj tip memorije.

Danas je radna memorija znatno jeftinija nego nekad, kad je cjenovno koštala kao sve ostalo u računalu, te ako je ima dovoljno može se jedan dio radne memorije programski pretvoriti u RAM-Disk koji cijeli ili jedan njegov dio mogu poslužiti kao virtualna memorija. Po kapacitetu veća radna memorija omogućava uporabu po kapacitetu manje virtualne memorije. Nekad je daj odnos bio RM:VM = 1:1.5 ili veći, dok je danas obrnuto. Ako je OS dizajniran da koristiti virtualnu memoriju, a raspoloživo je dovoljno radne memorija DRAM tipa, virtualnu memoriju treba realizirati u nekoj manjoj veličini i nije ju dobro potpuno eliminirati.