Двухпортовая динамическая память (VRAM)

Введение

Двойной портовый вариант динамической оперативной памяти.

Двойной портовый видео-RAM (VRAM) – это двойной портовый вариант динамической оперативной памяти (DRAM), который ранее широко использовался для хранения буфера кадров в графических адаптерах. Двойной портовый RAM позволяет процессору читать и записывать данные в память, как если бы это был обычный чип DRAM, при этом добавляется второй порт для последовательного считывания данных. Это упрощает взаимодействие с контроллером видеодисплея (VDC), который передает сигналы синхронизации в память и получает данные в правильной последовательности при отрисовке изображения на экране. Поскольку процессор и VDC одновременно получают доступ к памяти через разные порты, двойной портовый RAM не требует приостановки работы процессора во время использования памяти VDC, что устраняет связанные с этим состояния ожидания и повышает общую производительность системы. Двойной портовый RAM был распространен с середины 1980-х до середины 1990-х годов. После этого стали использоваться новые типы высокопроизводительной памяти, которые в конечном итоге заменили двойные портовые решения. Поскольку эти другие типы памяти также известны как видеопамять и, следовательно, VRAM, их иногда путают с этой более старой разновидностью памяти.

История

Ранние компьютеры использовали динамическую оперативную память для хранения видеоданных, предназначенных для вывода на обычный телевизор или простую модификацию телевизора, принимавшего композитный видеосигнал. Для работы с таким дисплеем критически важно, чтобы видеоаппаратное обеспечение выдавало очень точно синхронизированный сигнал. При скоростях работы современной памяти, чтение данных для передачи в видеоаппаратное обеспечение потребляло значительную часть доступной производительности устройств памяти. Это противоречило необходимости центрального процессора (ЦП) записывать данные в память для последующего чтения видеосистемой, поскольку оба не могли одновременно использовать одну и ту же память. Для решения проблем с синхронизацией использовалось два основных подхода. В более дорогих системах видеосистемы имели собственную выделенную память и использовали отдельную систему для записи данных в нее центральным процессором. Это исключало любую возможность конфликта за доступ к памяти, но требовало использования отдельной памяти в эпоху, когда она была очень дорогой. Кроме того, связь обычно осуществлялась через медленную системную шину, которая ограничивала скорость изменения изображения на экране, затрудняя реализацию интерактивной графики. Другой подход, использовавшийся в большинстве домашних компьютеров, заключался в использовании единого общего банка памяти и предоставлении видеоаппаратуре контроля над доступом к памяти, с приостановкой работы ЦП при необходимости. Это могло приводить к снижению вычислительной производительности, поскольку ЦП неоднократно переводился в состояния ожидания, но имело преимущество в виде меньшей стоимости и возможности более быстрого обновления дисплея, обеспечивая тем самым большую интерактивность. К началу 1980-х годов появление мониторов с гораздо более высоким разрешением, требовавших больших буферов кадров, и новых графических пользовательских интерфейсов (GUI), нуждавшихся в высоком разрешении и общей производительности, сделали производительность видеосистемы все более сложной проблемой. Сложные системы, такие как Amiga Agnus, были разработаны для тщательного контроля доступа к памяти и снижения конфликтов, однако, хотя они и уменьшали проблему, не устраняли ее полностью. Решением стало использование памяти, к которой могли одновременно обращаться ЦП и видеоаппаратное обеспечение. Она была изобретена Ф. Диллом, Д. Лингом и Р. Матиком в IBM Research в 1980 году, патент на нее был выдан в 1985 году (патент США 4,541,075). Первое коммерческое применение VRAM произошло в 1986 году в высокоразрешающем графическом адаптере, представленном IBM для своей системы RT PC, который установил новый стандарт для графических дисплеев. До разработки VRAM, память с двойным портом была довольно дорогой, что ограничивало использование графики с растровым изображением высокого разрешения высокопроизводительными рабочими станциями. VRAM повысила общую пропускную способность буфера кадров, обеспечив возможность создания недорогой, высокоразрешающей, быстрой цветной графики. Современные операционные системы с графическим пользовательским интерфейсом (GUI) извлекли из этого пользу, что стало ключевым фактором распространения графических пользовательских интерфейсов (GUI) по всему миру в то время.

Early computers used dynamic RAM to store video data to be output to a conventional television or a simple conversion of a television that accepted composite video input. To work with such a display it is extremely important that the video hardware output a very accurately timed signal. At the speeds that contemporary memory worked at, reading data to feed to the video hardware used up much of the possible performance of the memory devices. This conflicted with the need for the central processing unit (CPU) to write data to memory for the video system to read, as both could not use the same memory at the same time. Two general solutions were used to avoid timing issues. For higher priced systems, the video systems had their own dedicated memory and used a separate system for the CPU to store data into it. This eliminated any possibility of contention for memory, but at the cost of requiring separate memory in an era when memory was very expensive. It also almost always communicated over a slow system bus that limited the speed that changes to the screen could be made, making interactive graphics difficult. The other solution, used by most home computers, was to use a single shared bank of memory and allow the video hardware to control access to memory, pausing the CPU when needed. This may lead to slower computing performance as the CPU is repeatedly put into these "wait states", but it had the advantage of being less expensive and allowing the CPU to more rapidly update the display and thus provide more interactivity. By the early 1980s, the introduction of much higher resolution monitors that demanded larger framebuffers, and the newly introduced graphical user interfaces (GUIs) that required high resolution and high overall performance, made the performance of the video system an increasingly difficult problem. Complex systems like the Amiga Agnus emerged to carefully control access to memory and reduce contention, but while these reduced the problem they did not eliminate it. The solution was to use memory that could be access by the CPU and video hardware at the same time. It was invented by F. Dill, D. Ling and R. Matick at IBM Research in 1980, with a patent issued in 1985 (US Patent 4,541,075). The first commercial use of VRAM was in a high resolution graphics adapter introduced in 1986 by IBM for its RT PC system, which set a new standard for graphics displays. Prior to the development of VRAM, dual ported memory was quite expensive, limiting higher resolution bitmapped graphics to high end workstations. VRAM improved the overall framebuffer throughput, allowing low cost, high resolution, high speed, color graphics. Modern GUI based operating systems benefitted from this and thus it provided a key ingredient for proliferation of graphical user interfaces (GUIs) throughout the world at that time.

Описание

Динамическая оперативная память внутренне организована в виде массива строк и столбцов конденсаторов, где каждое пересечение строки и столбца содержит один бит в ячейке. При обычном использовании процессор, обращающийся к DRAM, запрашивает небольшое количество данных за раз, например, один байт. Для чтения байта для процессора, DRAM декодирует предоставленный адрес в серию из восьми ячеек, считывает всю строку, содержащую эти ячейки, и фиксирует запрошенные данные для последующего чтения по шине данных. В то время строки обычно содержали 1024 ячейки. Устройства DRAM являются деструктивными, то есть операция чтения строки также приводит к стиранию данных в ней. Чтобы сохранить данные, после каждого чтения DRAM должна записывать те же данные обратно в эту строку. Для этого необходимо предусмотреть отдельные защелки для всей строки, и данные записываются обратно в строку, пока процессор считывает запрошенный байт. Если рассматривать процесс в целом, это означает, что DRAM многократно считывает целые строки данных, выбирает один байт из этих данных и отбрасывает остальное, а затем снова записывает все обратно. VRAM работает, не отбрасывая избыточные биты в строке. Вместо этого данные, прочитанные в строчное хранилище, также отправляются во второй набор защелок и связанный с ним сдвиговый регистр. С этого момента данные можно считывать по одному биту, активируя сдвиговый регистр, и для этого требуется только один вывод. VRAM обычно не имеет двух шин адреса, что означает, что процессору и графическому устройству все еще приходится чередовать доступ к чипу, но поскольку целая строка данных считывается драйвером графики, и эта строка может представлять несколько строк развертки на экране, количество прерываний процессора может быть значительно уменьшено. Такая операция описана в статье "All points addressable raster display memory" (Растровая память с возможностью адресации каждой точки) Р. Матика, Д. Линга, С. Гупты и Ф. Дилла, IBM Journal of R&D, Vol 28, No. 4, июль 1984 г., стр. 379–393. Для использования видеопорта контроллер сначала использует порт DRAM для выбора строки массива памяти, которая должна быть отображена. VRAM затем копирует всю эту строку во внутренний буфер строки, который является сдвиговым регистром. Контроллер может затем продолжать использовать порт DRAM для рисования объектов на дисплее. Тем временем контроллер подает тактовый сигнал, называемый сигналом сдвига (SCLK), на видеопорт VRAM. Каждый импульс SCLK заставляет VRAM передавать следующий бит данных, в строгом порядке адресации, из сдвигового регистра на видеопорт. Для упрощения графический адаптер обычно проектируется таким образом, чтобы содержимое строки, а следовательно, и содержимое сдвигового регистра, соответствовало полной горизонтальной линии на дисплее.

Dynamic RAM is internally arranged in an array of rows and columns of capacitors, with each row/column intersection holding a single bit in a cell. In typical use, a CPU accessing a DRAM will ask for a small amount of data at a time, possibly a single byte. To read a byte for the CPU, the DRAM decodes the provided address into a series of eight cells, reads the entire row containing those cells, and latches the requested data so it can be read on the data bus. At the time, rows were commonly 1,024 cells wide. DRAM devices are destructive, meaning that the act of reading a row also causes the data in it to be erased. To make the data permanent, any reading has to be followed by the DRAM writing the same data back to that row. To accomplish this, separate latches for the entire row have to be included, and the data is written back to the row while the CPU is reading out the requested byte. When one considers the process as a whole, this means the DRAM is repeatedly reading entire rows of data, selecting a single byte from that data and discarding the rest, and then writing it all back again. VRAM operates by not discarding the excess bits in the row. Instead, the data read into the row storage is also sent to a second set of latches and an associated bit shifter. From that point, the data can be read out a bit at a time by triggering the shifter, and doing so only requires a single pin. VRAM generally does not have two address buses, meaning that the CPU and graphics still have to interleave their accesses to the chip, but as a whole row of data is read out to the graphics driver, and that row might represent multiple scan lines on the screen, the number of times it has to interrupt the CPU can be greatly reduced. Such operation is described in the paper "All points addressable raster display memory" by R. Matick, D. Ling, S. Gupta, and F. Dill, IBM Journal of R&D, Vol 28, No. 4, July 1984, pp. 379–393. To use the video port, the controller first uses the DRAM port to select the row of the memory array that is to be displayed. The VRAM then copies that entire row to an internal row buffer which is a shift register. The controller can then continue to use the DRAM port for drawing objects on the display. Meanwhile, the controller feeds a clock called the shift clock (SCLK) to the VRAM's video port. Each SCLK pulse causes the VRAM to deliver the next data bit, in strict address order, from the shift register to the video port. For simplicity, the graphics adapter is usually designed so that the contents of a row, and therefore the contents of the shift register, corresponds to a complete horizontal line on the display.

Переход на SDRAM

В 1990-х годах многие графические подсистемы использовали VRAM, и количество мегабит активно рекламировалось как ключевое преимущество. В конце 1990-х годов синхронные технологии DRAM постепенно становились более доступными, плотными и достаточно быстрыми, чтобы заменить VRAM, несмотря на то, что она однопортовая и требует больших накладных расходов. Тем не менее, многие концепции VRAM, касающиеся внутренней буферизации и организации на кристалле, были использованы и усовершенствованы в современных графических адаптерах.