Краткие теоретические сведения о структуре памяти ЭВМ

 

Памятью МПУ или микроЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. От­дельные устройства, входящие в эту совокупность, называют запоми­нающими устройствами (ЗУ).

Производительность и вычислительные возможности МПУ и мик­роЭВМ в значительной степени определяются составом и характерис­тиками используемых ЗУ. В составе МПУ используется одновременно несколько типов ЗУ, различающихся принципом действия, характе­ристиками и назначением.

Основными операциями в памяти в общем случае являются зане­сение информации в память запись и выборка информации из памя­ти - считывание. Обе эти операции называются обращением к памя­ти. При обращении к памяти производится считывание или запись не­которой единицы данных для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, бант, машинное слово или блок данных.

Классификация запоминающих устройств. По принципу действия ЗУ можно разделить на полупроводниковые, магнитные с неподвиж­ными магнитными запоминающими элементами и магнитомеханические с движущимся магнитным носителем информации.

Пo функциональному назначению ЗУ подразделяют на оперативные и постоянные. Последние, в свою очередь, делятся на ЗУ, в которых информация записывается однократно (либо в процессе изготовления, либо в процессе программирования) и не может быть изменена в про­цессе эксплуатации (ПЗУ), и программируемые ЗУ (ППЗУ), в кото­рых хранимая информация может меняться в процессе эксплуатации.

По способности сохранять или не сохранять содержимое при вклю­чении питания различают энергонезависимые и энергонезависимые ЗУ. Энергонезависимая память сохраняет свое содержимое при отключении питания, а энергозависимая — не сохраняет. Примерами энергонеза­висимой памяти являются ПЗУ, а также ОЗУ на ферритовых сердеч­никах, примером энергозависимой памяти — оперативная память на полупроводниковых микросхемах. Поскольку ферритовая память требует громоздкого электронного обрамления и оказывается сравни­тельно дорогой, в МПУ для хранения информации при выключе­нии питания предусматривается внешняя память или полупровод­никовая память с резервным питанием.

По методам доступа к информации (выборки информации) устрой­ства памяти подразделяют на ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), ассоциативной выборкой (АЗУ) и с последовательной выборкой. В ЗУПВ обеспечивается непосредственный доступ к любой заданной ячейке в любой последовательности как при записи, так и при считы­вании, при этом время обращения не зависит от адреса запоминающей ячейки и является одинаковым для всех ячеек ЗУ. Отметим, что ОЗУ, ПЗУ и ППЗУ относятся к классу ЗУПВ и работают с той же тактовой частотой, что и МПУ. В ЗУ с последовательным доступом для выборки информации по определенному адресу необходимо последовательно просмотреть все ячейки, предшествующие заданной, так что время обращения к информации в таких ЗУ зависит от адреса ячейки. В ас­социативных ЗУ поиск и извлечение информации производятся не по ее адресу, а по некоторому характеристическому признаку самой ин­формации, содержащемуся в запоминающей ячейке.

По принципу хранения информации полупроводниковые ЗУ делят­ся на статические и динамические. В статических ЗУ информация хра­нится в форме устойчивого состояния запоминающего элемента все время, пока поддерживается напряжение питания. В динамических ЗУ информация хранится в форме заряда на запоминающем конденса­торе, и для хранения записанной информации требуется периодичес­кое проведение процесса регенерации, во время которого происходит восстановление исходных логических уровней.

Независимо от типа полупроводникового интегрального ЗУ основ­ными его блоками являются запоминающее поле (накопитель), пред­ставляющее собой матрицу ячеек памяти и выполняющее функцию хранения информации, и периферийные обслуживающие устройства, выполняющие функции выбора (дешифрации) адресов, формирования сигналов записи и считывания, усиления сигналов и т. д. Во всех полупроводниковых ЗУ на кристалле БИС содержатся все перечис­ленные блоки.

Основные характеристики системы памяти. Одной из основных характеристик системы памяти является емкость памяти наиболь­ший объем данных, выраженный в единицах информации, который од­новременно может храниться в ЗУ. Емкость измеряется в битах, ма­шинных словах, но большей частью в байтах.

Удельная емкость есть отношение емкости ЗУ к его физическому объему. Ширина выборки определяется количеством информации в битах, записываемой в ЗУ или извлекаемой из него за одно обращение.

Быстродействие ЗУ характеризуется временем обращения к ЗУ, которое определяется временным интервалом между двумя следующи­ми друг за другом обращениями к ЗУ. Время обращения (длительность цикла обращения) определяет максимальную частоту обращения к ЗУ. В течение цикла можно выбрать информацию (чтение), ввести информацию (запись), обновить или модифицировать состояние неко­торого элемента ЗУ. Не следует смешивать время обращения ЗУ и время выборки — отрезок времени от момента подачи сигнала записи или чтения до завершения соответствующей операции. В зависимости от принципа работы ЗУ время цикла может совпадать со временем вы­борки или несколько превышать его. Так, в статических ЗУ эти вре­мена совпадают, а в динамических помимо времени выборки в длитель­ность цикла считывания входит время, необходимое для подготовки внутренних схем к работе.

Для оценки экономических характеристик ЗУ применяется пока­затель удельной стоимости, определяемый отношением его стоимости к информационной емкости.

Потребляемая энергия очень важна для систем, которые работают от аккумуляторов или солнечных элементов. Основополагающим фак­тором для потребляемой каждым запоминающим элементом энергии является применяемая технология. Наиболее предпочтительной для изготовления ЗУ с минимальным потреблением энергии является КМОП-технология. К сожалению, потребляемая мощность и быстро­действие связаны обратно пропорциональной зависимостью, поэтому, оптимизировать оба эти показателя довольно сложно.

Общая организация памяти. Память МПУ или микроЭВМ подраз­деляют на два класса: 1) область памяти, к которой в процессе функ­ционирования процессор может обращаться за командами и данными непосредственно; 2) область памяти, к которой процессор непосредст­венно обращаться не может. Память первого класса часто называют внутренней (основной), а память второго класса — внешней (массовой). Для того чтобы использовать информацию, хранящуюся во внешней памяти, ее необходимо предварительно передать во внутреннюю па­мять.

К внутренней памяти относится регистровая память МП, ОЗУ и ПЗУ, к внешней памяти — ЗУ с прямым доступом (ЗУ на гибких и жестких магнитных дисках) и с последовательным доступом (ЗУ на перфолентах, магнитных лентах). Иерархическая структура памя­ти МПУ представлена на рис. 8.1.

 

 

 

Рис. 8.1. Иерархическая структура памяти МПУ

 

Внутренняя память МПУ обычно состоит из одной или нескольких печатных плат, которые подключены к системной шине. На каждой плате находится модуль памяти (ПЗУ или ОЗУ), адресуемый старши­ми битами шины адреса. Отметим, что, как показано на рис.8.2, в большинстве МПУ и микроЭВМ имеются модули ПЗУ и ОЗУ, однако в малых МПУ типа контроллеров могут быть только модули ПЗУ, а оперативная память находится на одной и той же печатной плате (и даже в одной и той же микросхеме), что и процессор.

 

 

Рис. 8.2. Конструктивное разбиение внутренней памяти МПУ

 

Структурная схема модуля памяти представлена на рис. 8.3. В состав модуля входят интерфейс и набор микросхем памяти, каждая из которых содержит массив запоминающих элементов.

 

Рис.8.3. Структурная схема модуля памяти

 

Организация интегральных ОЗУ. Все используемые в микропро­цессорных системах устройства оперативной памяти представляют со­бой ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), создаваемые на основе полупроводниковых БИС. Каждый кристалл БИС ЗУПВ содержит накопитель (матрицу запоминающих ячеек), дешифраторы адреса строк и столбцов, адресные формирователи, усилители считывания, блок управления и другие схемы, необходимые для нормального функцио­нирования и управления ЗУ (рис. 8.3). Внутренняя организация БИС ЗУПВ обеспечивает реализацию законченных систем оперативной па­мяти МПУ непосредственно из таких БИС или с минимальным исполь­зованием других вспомогательных микросхем. Существует значитель­ное количество технологических, схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих создать широкую номенклатуру БИС ЗУПВ, различающихся способом хранения информации, информационной емкостью, потребляемой мощностью и т. п.

Для дешифрации адреса в БИС ЗУПВ, организованной в виде N М -разрядных слов (М = 1,4, 8), или в виде матрицы N Х М, тре­буется r адресных входов, где r = [log₂N].

Необходимая длина слова памяти достигается параллельным включением m БИС памяти. Так, в 8-разрядном МПУ для построения памяти N * 8 при использовании БИС с организацией N * 1 нужно включить параллельно восемь БИС памяти (т. е. т = 8). В этом случае совокупность восьми одноразрядных линий данных всех вось­ми БИС ЗУ образует 8-разрядную шину данных систем памяти. Линии адреса и чтения—записи всех БИС включаются параллельно для одновременного обращения ко всем БИС ЗУ.

В связи с ограничением количества внешних выводов корпуса БИС в ЗУПВ с информационной емкостью 16 Кбит и выше используется мультиплексирование адресных каналов.

Организация интегральных ПЗУ. Полупроводниковые ПЗУ явля­ются энергонезависимыми приборами с произвольной выборкой ин­формации. Так же как и в БИС оперативной памяти, на кристалле БИС ПЗУ содержатся накопитель и периферийные обслуживающие схемы, необходимые для вывода информации.

Практически все промышленные типы БИС ПЗУ имеют байтовую (8-разрядную) или полубайтовую (4-разрядную) организацию, причем наиболее экономичной и удобной является 8-разрядная организа­ция.

Различают следующие виды ПЗУ: программируемые маской на предприятии-изготовителе и программируемые пользователем на спе­циальных установках.

Масочные БИС ПЗУ используются при серийном выпуске отла­женных МПУ н микроЭВМ для хранения информации, не зависящей от конкретных приложений (системного программного обеспечения, тестовых программ, микропрограмм и др.). Программирование таких ПЗУ осуществляется на основе спе­циальных фотошаблонов (масок), с помощью которых информация заносится на кристалл в ПЗУ в процессе его производства. Этот способ про­граммирования является самым дешевым и предназначен для крупносе­рийного производства ПЗУ.

Среди разнообразных типов ПЗУ, программируемых пользователем, наи­большее распространение получили ПЗУ с плавкими перемычками, с ультрафиолетовым стиранием, с элек­трическим стиранием и записью ин­формации.

Во всех типах ПЗУ на кристалле микросхемы размещается двумерная матрица запоминающих элементов, каждый из которых располагается на пересечении словарных линий, идущих от дешифратора, и разрядных линий, перпендикулярных словарным и подсоединенных к мультиплексорам.

В ПЗУ с плавкими перемычками запоминающим элементом является транзистор типа п-р-п, база которого подсоеди­нена к словарной линии, коллектор - к источнику положительного напряжения, а эмиттер через плавкую перемычку к разрядной ли­нии. В качестве плавкой перемычки используется поликристалличес­кий кремний или нихром, напыленные в процессе изготовления микро­схемы. Процесс программирования протекает таким образом. На ад­ресные входы подается адрес выбранной ячейки. Напряжение пита­ния микросхемы повышается до значении, необходимого для создания тока, достаточного для выплавления перемычки (обычно импульс тока 50... 100 мкА длительностью 2 мс). Далее указываются разряды слова, в которых будут выплавляться перемычки. Процесс програм­мирования обеспечивается программирующим устройством, которое параллельно производит контроль правильности программирования. Очевидно, микросхемы ПЗУ данного типа допускают только однократ­ную запись ячейки ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (УФ-стиранием) и с электри­ческим стиранием являются программируемыми ПЗУ (ППЗУ), по­скольку после стирания хранимой в ПЗУ информации возможно зане­сение в накопитель новых данных.

Микросхемы ПЗУ с УФ - стиранием характеризуются возмож­ностью многократного программирования, достаточно малым време­нем выборки и энергопотреблением, большой емкостью. Все это делает их предпочтительными для применения в качестве памяти МПУ и микроЭВМ с сохранением информации после отключения питания.

Запоминающим элементом в ПЗУ с УФ-стиранием является МОП-транзистор, расположенный на пересечении соответствующих сло­варной и разрядной линий. Затвор этого транзистора подключен к словарной линии, сток — к источнику положительного напряжения, а исток — к разрядной линии. Информация о содержимом данной ячейки хранится в виде заряда на втором, полностью изолированном (плавающем) затворе МОП-транзистора. Плавающим затвор называ­ется потому, что он размещен между управляющим затвором транзис­тора и его каналом и окружен высокоомным диэлектриком. Такое по­ложение затвора позволяет формировать вольтамперную характерис­тику транзистора, изменяя напряжение отпирания. При вводе в пла­вающий затвор отрицательного заряда будет формироваться смещен­ная характеристика транзистора. При программировании в результате поступления программирующего импульса на затвор транзистора по­следний включается, что приводит к появлению на разрядной шине низкого потенциала. Транзистор, который не программировался, будет иметь нулевой заряд и останется выключенным, что приведет к появле­нию на разрядной шине высокого потенциала.

При необходимости в программировании микросхемы предвари­тельно записанную информацию стирают ультрафиолетовым излуче­нием через прозрачное кварцевое окошко на поверхности корпуса мик­росхемы. УФ-излучение, попадая на плавающий затвор и выбивая из него фотоэлектроны, разряжает плавающий затвор МОП-транзис­тора. Время сохранения информации в ПЗУ данного вида составляет 10 лет и более.

В ПЗУ с электрическим стиранием основу запоми­нающей ячейки составляет МОП-транзистор с плавающим затвором, такой же, как и в ПЗУ с УФ-стиранием. Но в микросхемах данного типа технологическими методами обеспечена возможность отбора элект­ронов с плавающего затвора, что позволяет выборочно стирать зане­сенную информацию. В таких ПЗУ допустимое число циклов переза­писи информации составляет 10000 и более.

Следует отметить, что при создании микропроцессорных устройств и систем емкости основных ЗУ может оказаться недостаточно и расши­рение памяти проводится за счет внешней памяти. В настоящее время наиболее распространенными устройствами внешней памяти являют­ся гибкие и жесткие магнитные диски, кассетные магнитофоны и нако­пители на перфолентах. Перспективными внешними ЗУ являются дешевые гибкие магнитные диски, высокоскоростные жесткие диски боль­шой емкости (20... 80 Мбайт) и оптические диски, созданные на базе мощных высокочастотных диодных лазеров. По прогнозам специалис­тов, двусторонний оптический диск диаметром 5,25 дюйма легко смо­жет хранить 1 Г байт информации.