Запамятовуючі пристрої

15.1. Функція пам’яті

Пам’яттю комп’ютера називається сукупність різних пристроїв, призначених для приймання, зберігання і видачі двійкової інформації. Окремий пристрій називається запам’ятовуючим (ЗП) або просто пам’яттю. Термін “запам’ятовуючий пристрій” вживають тоді, коли треба підкреслити принцип його побудови: на магнітному осерді, напівпровідниках та ін.
Термін “пам’ять” застосовують, коли вказують на функцію, яку вона виконує: основну, постійну та ін.
Пам’ять комп’ютера функціонує під керуванням операційної системи, яка розміщує масиви інформації в пам’яті, забезпечує їхній захист від несанкціонованого доступу та виконує інші функції. Продуктивність і обчислювальні можливості комп’ютера значною мірою визначаються складом і характеристиками ЗП, які застосовуються.
Пам’ять сучасних комп’ютерів класифікують за функціональним призначенням, видом носія інформації, способом організації доступу до інформації.
За функціональним призначенням пам’ять комп’ютерів поділяється на дві основні групи: зовнішню і внутрішню.Зовнішні ЗП призначені для тривалого зберігання великих масивів інформації з ємністю до гігабайта і більше та малою швидкодією. Зовнішня пам’ять містить в собі накопичувачі на магнітних стрічках, дисках, барабанах та оптичних дисках.
Внутрішні ЗП призначені для зберігання програм і даних, які виконуються в поточний момент часу. До внутрішньої пам’яті відносяться:
надоперативні (регістрові) ЗП, які використовують регістри загального призначення процесора; вони мають невелику інформаційну ємність і швидкодію роботи процесора;
кеш–пам’ять, яка служить для зберігання копій інформації, що використовуються в поточних операціях обміну. Висока швидкодія кеш–пам’яті підвищує продуктивність комп’ютера;
оперативні, які характеризуються високою швидкодією та інформаційною ємністю до сотень мегабайт; оперативна пам’ять комп’ютерів перших поколінь будувалася на магнітних осердях, тепер же ОП реалізується на напівпровідникових ВІС ЗП.

У процесі роботи інформація із зовнішньої пам’яті при необхідності переписуються в оперативний ЗП (ОЗП);постійні, які будуються на напівпровідникових ВІС. У постійну пам’ять інформація записується заздалегідь і її можна тільки прочитувати. Оперативні й постійні ЗП утворюють основну пам’ять комп’ютера;спеціалізовані види пам’яті – багатопортові, асоціативні, відеопам’ять та ін.
За фізичним принципом побудови пам’ять комп’ютера буває:
магнітна (на осерді та плівках, на циліндричних і плоских магнітних доменах);
ультразвукова (магнітострикційна, електрострикційна);
сегнетоелектрична і голографічна (лазерна), на основі надпровідності;
напівпровідникова на ВІС і НВІС, ультра-ВІС.
Напівпровідникові ВІС ЗП в свою чергу характеризуються:
технологією виготовлення: на біполярних транзисторах (ТТЛШ, ЕЗЛ, І2Л), на МОН-структурах (р-МОН, п-МОН, КМОН); серед новітніх розробок слід відмітити ЗП, де використані ПТШ на основі арсеніду галію;
За способом зберігання інформації – статичні та динамічні (у статичних ЗП елементом пам’яті є тригер, а у динамічних елемент пам’яті будують на конденсаторі і МОН-транзисторах);
ЗА енергозалежністю: розрізняють енергозалежні ВІС ЗП, в яких при відключенні джерела живлення інформація, яка зберігається, руйнується (що справедливо в цей час для більшості напівпровідникових мікросхем пам’яті), і енергонезалежні (звичайно на сегнетоелектриках), в яких інформація зберігається;
За структурною організацією ВІС ЗП, яка символічно подається у вигляді N x m, де N – кількість адресних одиниць інформації, що зберігаються; m – розрядність (організацію у вигляді N x 1 називають однорозрядною, а N x m – словниковою, при цьому т>1).
Елементний базис пам’яті сучасних комп’ютерів складають мікросхеми різного ступеня інтеграції. Основою будь-якого ЗП є елемент пам’яті (ЕП) статичного або динамічного типу, призначений для записування, зберігання і зчитування одного біта інформації – цифри 0 або 1. Сукупність ЕП, які утворюють п-розрядне слово, називають коміркою пам’яті (КП). Множина КП утворює запам’ятовуючий масив, який називається матрицею М елементів пам’яті.

15.2. Основні параметри пам’яті

Основними операціями в пам’яті є записування і зчитування певної одиниці інформації, наприклад, байта. Ці операції називаються також зверненням до пам’яті. Пам’ять характеризується інформаційною ємністю, фізичним об’ємом, питомою ємністю і вартістю, шириною вибірки, споживаною потужністю і швидкодією.
Інформаційна ємність Е являє собою максимальний об’єм даних, який може одночасно зберігатися в пам’яті. Ємність виражається в бітах, байтах (8 біт = 1 байт), кілобайтах (210 байт = 1 Кбайт), мегабайтах (210 Кбайт = 1 Мбайт) і гігабайтах (210 Мбайт = 1 Гбайт) (при цьому потрібно врахувати, що 210 = 1024).Питома ємність визначається відношенням інформаційної ємності ЗП до його інформаційної ємності. Питома вартість – це відношення вартості ЗП до його інформаційної ємності. Ширина вибірки подається числом розрядів, які записуються в ЗП або зчитуються з нього за одне звернення.
Споживану потужність задають або для усього ЗП, або на зберігання одного біта інформації. Основними вимогами до пам’яті є максимально велика інформаційна ємність, висока швидкодія (малий час звернення: tзв < 10 нс), мінімальна споживана потужність (менша за 1 мкВт на 1 біт інформації, яка зберігається).
У наш час жоден з видів ЗП не задовольняє цих вимог повною мірою. Тому в пам’яті використовуються різні види ЗП, які розрізняються принципами побудови і своїми характеристиками.
Швидкодія ЗП вимірюється часом записування і зчитування та тривалістю відповідних їм циклів.Час записування tWR – це інтервал між моментами появи керуючого сигналу записування і установленням КП в стан, який задають вхідні сигнали. Час зчитування – це інтервал між моментами появи керуючого сигналу читання tRD і даних на виході пам’яті. Мінімально допустимий інтервал між послідовними читаннями tCYR і записуваннями tCYW створює відповідний цикл. Тривалість циклів може перевищувати час читання чи записування, оскільки після цих операцій необхідна додаткова затримка для встановлення початкового стану пам’яті. Як тривалість циклу звернення до пам’яті беруть величину tCY = max (tCYW, tCYR).

15.3. Вхідні та вихідні сигнали мікросхеми пам’яті

Мікросхеми ОП мають типові виводи, на яких діють визначені адресні, інформаційні та керуючі сигнали (рис. 15.1, а).

Рис. 15.1. Мікросхеми ОП: а, б – умовні графічні позначення; в – часові діаграми сигналів

Призначення виводів і сигналів на них такі:
А (Address) – входи адреси, розрядність якої к визначається співвідношенням к=log2N, де N=2к – максимально можливе число даних (біт, байт, слів), що зберігаються в пам’яті і адресуються як єдине ціле;
DI (Data Input) – шина вхідних даних;
DO (Data Out) – шина вихідних даних;
/ R (Write/Read) – сигнал записування даних при / R=0 або зчитування при / R=1;
(Chip Select) або (Chip Enable) – сигнал дозволу при () = 0 чи заборони, якщо () = 1, роботи даної мікросхеми.
Особливістю роботи динамічних ЗП є мультиплексування ША (рис.7.1, б). Адреса, наприклад, А=А15,А14, ..., А0 ділиться на старшу напівадресу Ах=А15,А14, ..., А8 і молодшу Ау=А7,А6, ..., А0. Напівадреси подаються на одні й ті ж входи адреси мікросхеми пам’яті. Подавання напівадреси Ах супроводжується сигналом (Row Address Strobe), а напівадреси Ау – сигналом (Column Address Strobe). Такий спосіб адресації зменшує число виводів корпусу IMC. Часто виводи DI і DO об’єднуються у спільний вивод DIO.

15.4. Часові характеристики мікросхем пам’яті

Вимоги до взаємного часового положення двох сигналів (A–B) задають такими параметрами:
-часом попереднього установлення tSU (A–B) сигналу А відносно сигналу В, тобто ----інтервалом між початками обох сигналів;
--часом утримання tН (A–B) – інтервалом часу між початком сигналу А і закінченням сигналу В;
-часом зберігання tV (A–B) – інтервалом між закінченнями сигналів А і В.
Тривалість сигналів позначається як tW (Widht – ширина).
Для ЗП характерна така послідовність сигналів у часі (рис. 15.1, в): спочатку адреса, потім вибірка мікросхеми , потім строб записування–читання / R.
Індексом А (Acсess) позначають інтервали часу від появи керуючого сигналу до появи даних на виході (рис. 15.1, в).

15.5. Способи доступу до даних у напівпровідниковій пам’яті

У напівпровідникових ЗП виділяють адресні, послідовні й асоціативні способи доступу до даних (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Класифікація напівпровідникових ЗП
При адресному доступі адресний код указує номер комірки пам’яті, з якою має проводитися обмін. Усі комірки в момент звернення рівнодоступні. До адресних ЗП відносяться:
RAM (Random Access Memory), українські синоніми: ОЗП (оперативний ЗП) або ЗПДВ (ЗП з довільною вибіркою);
ROM (Read Only Memory), український термін – ПЗП (постійні ЗП).
Оперативні ЗП зберігають дані, необхідні при виконанні поточної програми; вони можуть бути змінені в будь-який момент часу. Оперативні ЗП в більшості є енергозалежні.
У постійних ЗП вміст комірок або взагалі не змінюється, або змінюється рідко в спеціальних режимах.
Запам’ятовуючі пристрої RAM поділяються на статичні SRAM (Static RAM) і динамічні DRAM (Dynamic RAM). У статичних RAM елементами пам’яті є тригери. Вони зберігають свій стан, поки схема має напругу живлення і нові дані не записуються. У динамічних RAM дані зберігаються у вигляді зарядів конденсаторів, створюваних компонентами МОН-транзисторів. Саморозряд конденсаторів веде до руйнування даних, тому вони періодично (кожні 2–30 мс) мають регенеруватися. Але щільність упакування динамічних ЕП перевищує в 4–5 разів такий же показник для статичних RAM. Регенерація даних здійснюється за допомогою спеціальних контролерів. Розроблені також DRAM із внутрішніми схемами регенерації; такі ЗП називаються квазістатичними.
Статичні ОЗП розподіляють на такі типи:
-асинхронні – керуючі сигнали можна задавати як імпульсами, так і рівнями;
-тактовані – в них деякі сигнали мають бути обов’язково імпульсами, наприклад, сигнал дозволу роботи ;
-синхронні, в яких організований конвеєрний канал передачі даних, що синхронізується від тактової системи процесора.
Динамічні ЗП характеризуються найбільшою інформаційною ємністю і невисокою вартістю, тому вони використовуються як основна пам’ять комп’ютерів. Статичні ЗП в 4–5 разів дорожчі динамічних і приблизно у стільки ж разів менша їхня інформаційна ємність. Їхнім достоїнством є висока швидкодія, а типовою областю застосування – схеми кеш–пам’яті.
Постійна пам’ять типу ROM(M) програмується при виготовленні за допомогою масок, тому її називають ПЗП масочним. В подальших різновидах ROM у позначеннях є буква Р (від Programmable). Це – пам’ять, що одноразово програмується користувачем – PROM (в українській термінології ППЗП – програмовані ПЗП) та багаторазово програмується – EPROM, EEPROM.
Пам’ять типу Flash по ЕП подібна до EEPROM (інакше E2PROM), але має структурні й технологічні особливості, які дозволяють виділити її в окремий тип.
У ЗП з послідовним доступом дані, що записуються, створюють чергу. Зчитування виконується слово за словом в порядку записів або навпаки. Прямий порядок зчитування використовується в буферах FIFO з дисципліною “перший прийшов – перший вийшов (First In – First Out)”, а також у файлових і циклічних ЗП.
Різниця між пам’яттю FIFO і файловим ЗП полягає в тому, що у FIFO записування у пустий буфер зразу доступне для читання (тобто поступає в кінець ланцюга моделі ЗП). У файлових ЗП дані поступають у початок ланцюга і з’являються на виході після деякого числа звертань, яке дорівнює числу елементів у ланцюзі.
У циклічних ЗП слова доступні одне за одним з постійним періодом, який визначається ємністю пам’яті. До них відноситься відеопам’ять (VRAM).
Зчитування в оберненому порядку властиве стековим ЗП з дисципліною “останній прийшов – першим вийшов”. Такі ЗП називаються буферами LIFO (Last In – First Out).
Час доступу до конкретної одиниці інформації, що зберігається в послідовних ЗП, є випадковою величиною. В найгіршому випадку для такого доступу треба переглянути весь об’єм інформації, що зберігається у цій пам’яті.
Асоціативний доступ реалізує пошук інформації за деякою ознакою, а не за адресою. В найбільш повній версії всі слова, які зберігаються в пам’яті, можуть одночасно перевірятися на відповідність ознаці, наприклад, на збіг визначених полів слів – тегів (від tag) за ознакою, яку задає вхідне слово (тегова адреса). На вихід передаються слова, які задовольняють ознаку. Дисципліна видавання слів, якщо тегу задовольняє декілька слів, та дисципліна записування нових даних можуть бути різними. Основна область використання асоціативної пам’яті в комп’ютерах – кешування даних.

15.6. Загальна характеристика кеш-пам’яті

Кеш-пам’ять (від Cache – тайник) – це засіб копіювання і зберігання блоків даних основної пам’яті типу DRAM в процесі виконання програми. Кеш-пам’ять побудована на швидкодіючих тригерних ЕП, але має невелику ємність порівняно з основною динамічною пам’яттю. Кеш зберігає обмежене число даних і тегів. Тег містить інформацію про фізичну адресу і стан даних.
При кожному зверненні до основної пам’яті спеціальний контролер перевіряє за тегом наявність цієї копії в кеші. Якщо вона є, то виробляється сигнал Hit (кеш-попадання) і звернення відбувається до кеш-пам’яті (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Структура кеш-пам’яті
Якщо копії немає (кеш-промах), то сигнал Hit не виробляється і виконується читання з ОП та одночасне розміщення зчитаних даних в кеші.
Обмін з ОП може відбуватися двома способами:
-перший: звернення до ОП поєднується з одночасним пошуком інформації в тегу. вернення при попаданні до ОП анулюється;
-другий: звертання до ОП проводиться тільки після виявлення кеш-промаху.
У сучасних комп’ютерах кеш будують за дворівневою схемою:
-первинний кеш (L1 Cache) має об’єм десятки Кбайт і вбудовується в процесор. Для підвищення продуктивності часто використовуються роздільні кеші для команд і даних (Гарвардська архітектура);
-вторинний кеш (L2 Cache), звичайно встановлюють на системній платі, він має об’єм декілька Мбайт.
Більшість прикладних програм має циклічний характер і багаторазово використовує одні й ті самі дані, тому наявність кеша зменшує кількість звернень до відносно повільної ОП.

15.7. Загальна характеристика постійної пам’яті
Постійна пам’ять призначена для збереження програм, констант, табличних функцій та іншої інформації, яка записується заздалегідь і не змінюється в процесі поточної роботи комп’ютера. Вона застосовується також у перетворювачах кодів, знакогенераторах, у мікропрограмних пристроях керування. Загальним для всіх мікросхем постійної пам’яті є енергонезалежність, словникова організація і використання режиму зчитування як основного.
Мікросхеми постійної пам’яті розділяються на такі групи:
- ПЗП або ROM (Read Only Memory) – програмуються одноразово заводом-виготовлювачем, часто називаються масочними;
- ППЗП або PROM (Programmable ROM) – програмуються одноразово електричним способом користувачем;
- РПЗП-УФ або EPROM (Erasable PROM) – програмуються багаторазово (репрограмуються) з ультрафіолетовим стиранням і електричним записуванням;
- РПЗП-ЕС або EEPROM (Electrical EPROM) – програмуються і стираються багаторазово електричним способом.

15.8. Загальна характеристика флеш-пам’яті

Флеш-пам’ять (Flash Memory) використовує ЕП на транзисторах ЛІЗМОН з електричним стиранням і записуванням інформації. Вона відноситься до постійної пам’яті типу EEPROM, але ряд архітектурних і функціональних особливостей дозволили виділити флеш-пам’ять в окремий клас. Флеш-пам’ять використовує поряд з традиційними адресними і керуючими сигналами спеціальні команди. Інформація у мікросхемах флеш-пам’яті записується і зберігається в блоках визначеного розміру, іноді – призначення. При цьому стирання інформації здійснюється або для всієї пам’яті разом, або для великих блоків; це спрощує схеми ЕП. Флеш-пам’ять переважає EEPROM у тому, що не вимагає спеціальної апаратури для записування чи стирання даних.
Розрізняють такі види флеш-пам’яті:
-файлова флеш-пам’ять (Flash File) – масив ЕП розділений на блоки однакового розміру (симетрична архітектура);
-флеш-пам’ять з несиметричною архітектурою (Boot Block) – масив ЕП розділений на блоки різного розміру; один з блоків має апаратні засоби для захисту інформації в ньому;
-флеш-пам’ять з можливістю стирання тільки всього масиву ЕП (Bulk Erase);
-флеш-пам’ять з можливістю записування інформації за різних напруг програмування (Start Voltage);
-пам’ять з використанням нових ЕП з чотирма станами, які зберігають по два біти (Strata Flash).
Файлова флеш-пам’ять орієнтована на заміну жорстких магнітних дисків. Такі ЗП в сотні разів зменшують споживану потужність, збільшують механічну міцність та надійність, зменшують їхні розміри і масу та на декілька порядків підвищують швидкодію при читанні даних. Мікросхеми, які замінюють магнітні диски, мають ідентичні блоки та розвинені засоби обміну інформацією. Мікросхеми файлової флеш-пам’яті фірми Intel мають інформаційну ємність 4 – 32 Мбіт, час доступу – 70 – 150 нс.
Мікросхеми Boot Block використовують однобайтову або перемикальну одно- чи двобайтову організацію і складаються з декількох блоків різного розміру. Один з блоків має додаткові апаратні засоби захисту від зміни даних; він призначений для зберігання дуже важливою інформації, яка не змінюється при модифікації даних в інших блоках. Мікросхеми Boot Block призначені для зберігання компонентів системного програмного забезпечення. Привілейований блок містить програму-завантажувач, яка записує з диска необхідні дані для ініціалізації пристроїв комп’ютера.
Мікросхема Boot Block типу 28F00BX/N, яка часто застосовується для зберігання програм базової системи введення-виведення (BIOS) в ПЕОМ, має час доступу 75–150 нс, гарантується 105 циклів стирання – програмування.
Мікросхема 28F00ВХ містить:основний блок об’ємом 112 Кбайт;два блоки параметрів ємністю по 4 Кбайт кожний;блок-завантажувач об’ємом 4 Кбайт, стирання і програмування якого можливе тільки за особливих умов.
Основний блок і блоки параметрів захисту – рівноправні. Виділення невеликих блоків параметрів дозволяє зберігати в них інформацію, яка часто змінюється.
Мікросхеми Bulk Erase мають однобайтову організацію ємністю 32–256 Кбайт, час доступу 65–200 нс і являють собою єдиний масив, який стирається відразу.

15.9. Загальна характеристика статичних запам’ятовуючих пристроїв

У статичних ЗП функцію запам’ятовування біта інформації виконують тригери. Вони реалізуються за будь-якою схемотехнікою – ТТЛШ, І2Л, ЕЗП, п-МОН, КМОН та іншими. Найбільш інтенсивно розвиваються ОЗП на КМОН-структурах, які при зменшенні роздільної здатності до 0,2 мкм набувають високої швидкодії. При цьому вони зберігають свої традиційні переваги – велику інформаційну ємність та дуже мале енергоспоживання – до долей мікровольта на один ЕП.
Статичні ОЗП (SRAM) звичайно мають структуру 2DM, а при невеликій інформаційній ємності будуються за структурою 2D. Вони широко використовуються в кеш-пам’яті, яка повинна мати максимально можливу швидкодію.
Для побудови ЕП статичних ЗП широко використовують RS-тригери за схемотехнікою КМОН. Типова схема такого RS-тригера містить:
власне тригер на транзисторах VT1 і VT2 (п-тип) та на навантажувальних транзисторах VT3 і VT4 (р-тип);
ключі вибірки на транзисторах VT5 і VT6 (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Схема RS-тригера на КМОН структурах
З прямим Q та інверсним виходами тригера через ключі вибірки пов’язані розрядні лінії записування–зчитування РЛ0 та РЛ1. В режимі зберігання транзистори VT5 і VT6 закриті. Перед записуванням даних на розрядні лінії подається високий рівень напруги. При виборі даного тригера (лінія вибору ЛВ=1) для записування одиниці встановлюють РЛ1=0, РЛ0=1, а при записуванні нуля – навпаки.
Під час зчитування даних двонаправлені ключі VT5 і VT6 відкриваються, якщо сигнал ЛВі=1. Паразитна ємність стоку закритого транзистора в тригері зменшується на мале значення ΔU, а ємність стоку відкритого транзистора збільшується на таке саме значення. При цьому стан тригера не змінюється. Зміна сигналів на лініях РЗ0 і РЗ1 подається на входи диференційного підсилювача, який формує значення лог.0 або лог.1.

15.10. Принцип побудови динамічного запам’ятовуючого елемента

У динамічній пам’яті типу DRAМ інформація зберігається у вигляді зарядів на дуже малій ємності Сз=0,01...0,05 пФ, яка створена між стоком і підкладкою МОН-транзистора (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Динамічний однотранзисторний ЕП: а – схема; б – топологія

Стік транзистора не має зовнішнього виводу. Для записування інформації на лінію вибірки ЛВі подається високий рівень напруги, яка відкриває транзистор Тіj. Створюється провідний канал, і рівень напруги на розрядній лінії записування–зчитування ЛЗЗj визначає стан конденсатора Сз: заряджений при високому рівні (стан “1”) та розряджений при низькому (стан “0”)

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Мікропроцесори. Великі інтегральні схеми з програмовними структурами.	\|	Організаційно-методичні вказівки.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.