В ядре
Ядро микросхемы динамической памяти состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками
(ROW), а вертикальные – столбцами
(Column) или страницами (Page).
Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится "сердце" ячейки – несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора (см. рис. 0x12.4).
Конденсатору отводится роль непосредственного хранителя информации. Правда, хранит он очень немного – всего один бит. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие – логической единице. Транзистор же играет роль "ключа", удерживающего конденсатор от разряда. В спокойном состоянии транзистор закрыт, но, стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, как спустя мгновение-другое (конкретное время зависит от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом.
Чувствительный усилитель (sense amp), подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Это обстоятельство настолько важно, что последняя фраза вполне заслуживает быть выделенной курсивом. Именно страница является минимальной порцией обмена с ядром динамической памяти. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможна! Действительно, открытие одной строки приводит к открытию всех, подключенных к ней транзисторов, а, следовательно, – разряду "закрепленных" за этими транзисторами конденсаторов. Хочешь – не хочешь,– а читай всю строку за раз целиком!
"…эти шары содержат информацию… Их надо переписать на пленку, потому что они разового действия. Молекулы после прослушивания снова приходят в хаос"
"Имею скафандр - готов путешествовать" Роберт Ханлайн
Чтение ячейки деструктивно по своей природе, поскольку sense amp (чувствительный усилитель) разряжает конденсатор в процессе считывания его заряда. "Благодаря" этому динамическая память представляет собой память разового действия. Разумеется, такое положение дел никого устроить не может, и потому во избежание потери информации считанную строку приходится тут же перезаписывать вновь. В зависимости от конструктивных особенностей эту миссию выполняет либо программист, либо контроллер памяти, либо сама микросхема памяти. Практически все современные микросхемы принадлежат к последней категории. Редко какая из них поручает эту обязанность контроллеру, и уж совсем никогда перезапись не возлагается на программиста.
Ввиду микроскопических размеров, а, следовательно, и емкости конденсатора записанная на нем информация хранится крайне недолго, – буквально сотые, а то тысячные доли секунды. Причина тому – саморазряд конденсатора. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным удельным сопротивлением, заряд стекает очень быстро, ведь количество электронов, накопленных конденсатором на обкладках, относительно невелико. Для борьбы с "забывчивостью" памяти прибегают к ее регенерации
– периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью. В зависимости от конструктивных особенностей "регенератор" может находиться как в контроллере, так и в самой микросхеме памяти. Например, в компьютерах XT/AT регенерация оперативной памяти осуществлялась по таймерному прерыванию каждые 18 мс через специальный канал DMA (контроллера прямого доступа). И всякая попытка "замораживания" аппаратных прерываний на больший срок приводила к потере и/или искажению оперативных данных, что не очень-то радовало программистов, да к тому же снижало производительность системы, поскольку во время регенерации память была недоступна. Сегодня же регенератор чаще всего встраивается внутрь самой микросхемы, причем перед регенерацией содержимое обновляемой строки копируется в специальный буфер, что предотвращает блокировку доступа к информации.
Рисунок 4 core 1024-битное ядро памяти компьютера UNIVAC-11015. Действительный размер этого ядра составляет 5.5 см. Похожее на грубо обработанную мешковину, оно, в действительности, состоит из многочисленных ферритовых "пончиков", каждый из которых может хранить всего лишь один бит информации. По легенде, намотку ферритовых колец осуществляли… девушки, вооруженные стереоскопическим микроскопом. Мужчины, по всей видимости оказывались слишком неуклюжими и недостаточно усидчивыми для этой тонкой и чрезвычайно кропотливой работы. (Попробовал бы сегодня кто-нибудь намотать 1 гигобит ячеек памяти вручную!). Восемь таких ядер объединялись в стопку, реализуя на пересечении столбцов и колонок целый байт информации (термин "машинное слово" в те годы еще не был изобретен!).
