Микросхемы памяти, виды и характеристика запоминающих устройств.

Микросхемы памяти, виды и характеристика запоминающих устройств.

Буферная память.

Стековая память.

Кэш-память.

Заключение.

 

Учебная литература: [1] – [5].

Микросхемы памяти, виды и характеристика запоминающих устройств

 

Микросхемы памяти и виды ЗУ

 

(слайд 3). Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими устройствами МПС. Микросхемы памяти в общем объеме выпуска ИС занимают около 40%. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ.

В развитой иерархии памяти МПУ можно выделить следующие уровни запоминающих устройств:

- регистровые ЗУ, находящиеся в составе процессора, благодаря которым уменьшается число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большего времени для операций обмена информацией;

(слайд 4). - кэш-память, служащая для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Работа процессора с кэш-памятью высокого быстродействия повышает производительность ЭВМ;

- основная память (ОЗУ, ПЗУ, перепрограммируемое ППЗУ), работающая в режиме обмена с процессором и по возможности согласованная с ним по быстродействию. Исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;

- специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфиче ских архитектур (видеопамять и др.);

- внешняя память, хранящая большие объемы информации (магнитные и оптические диски).

 

Классификация ЗУ

 

(слайд 5) Для классификации ЗУ важнейшим признаком является способ доступа к данным (рисунок 15.1).

При адресном доступе код на адресных входах указывает ячейку, с которой ведется обмен. Все ячейки адресной памяти в момент обращения равнодоступны.

В ЗУ с последовательным доступом записываемые данные образуют очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи, либо в обратном порядке.

Ассоциативный доступ реализует поиск информации по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти (адресу или месту в очереди).

 

Важнейшие характеристики ЗУ

(слайд 7) Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации. Выражается в битах, байтах или словах.

Бит хра нится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово – запоминающей ячейкой (ЗЯ), т. е. группой ЗЭ, к которым возможно лишь одновременное обращение. Производители микросхем памяти обычно оценивают их емкости в битах, а сис темотехники – в байтах или словах.

Организация ЗУ – произведение числа хранимых слов на их разрядность. Видно, что это произведение выражает информационную емкость ЗУ, одна ко при одной и той же информационной емкости организация ЗУ может быть различной, так что организация является самостоятельным важным параметром, выражаемым парой чисел. Примеры организации памяти: 32×8, 128К×8, 1М×1.

(слайд 6).

 

Рисунок 15.1 – Классификация современных полупроводниковых ЗУ

 

Быстродействие ЗУ оценивают временами считывания, записи, длительно стями циклов чтения/записи и другими параметрами.

Время считывания – интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ.

Время записи – интервал после появления сигнала записи, достаточный для установления ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом.

(слайд 8). Цикл – минимально допустимый интервал времени между последовательными повторными операциями чтения или записи. Длительности циклов могут превышать времена чтения или записи, т. к. после этих операций до начала следующей может потребоваться время для восстановления необхо димого начального состояния ЗУ.

Характерно, что важнейшие параметры ЗУ находятся между собой в противоречии. Большая информационная емкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие не сочетается с низкой стоимостью.

 

Обзор некоторых видов ЗУ

 

1.4.1. Регистры

 

(слайд 9.) Регистр – устройство, предназначенное для записи, хранения и сдвига информации представленной в виде многоразрядного двоичного кода.

Регистры самые распространенные узлы цифровых устройств. Состоят из разрядных схем, в которых имеются триггеры и логические элементы.

Главным классификационным признаком регистров является способ приема и выдачи данных. По этому признаку различают:

- параллель ные (статические) регистры;

- последовательные (сдвигающие);

- параллельно- последовательные.

В параллельных регистрах прием и выдача слов производятся по всем разрядам одновременно. В них хранятся слова, которые могут быть подвергнуты поразрядным логическим преобразованиям.

В последовательных регистрах слова принимаются и выдаются разряд за разрядом. Их называют сдвигающими, т. к. тактирующие сигналы при вводе и выводе слов перемещают их в разрядной сетке. Сдвигающий регистр может быть нереверсивным (с однонаправленным сдвигом) или реверсивным (с возможностью сдвига в обоих направлениях).

Последовательно-параллельные регистры имеют входы/выходы одновре менно последовательного и параллельного типа. Кроме того, существуют варианты с последовательным входом и параллельным выходом, параллельным входом и последовательным выходом.

Основная память

(слайд 10) Оперативное ЗУ (ОЗУ, RAM) предназначено для записи, хранения, считывания данных и программ с высоким быстродействием. Энергозависимо.

Постоянное ЗУ (ПЗУ, ROM) предназначено для хранения и считывания информации, которая не изменяется в процессе работы МПС. Энергонезависимо.

Перепрограммируемое ПЗУ (ППЗУ, PROM) позволяет многократно записывать и стирать информацию. В процессе функционирования цифрового устройства используется как ПЗУ.

На рисунке 15.2 представлена типовая структура полупроводниковой микросхемы ЗУ.

(слайд 11)

 

Рисунок 15.2 – Типовая структура полупроводниковой микросхемы ЗУ

 

Она состоит из следующих узлов: матрицы – накопителя (НК), дешифраторов строк и столбцов (DCX, DCY), устройства записи (УЗ), устройства считывания (УС), устройства управления (УУ). В зависимости от типа ЗУ те или иные типовые узлы могут в схеме отсутствовать.

Ос новным узлом БИС ЗУ является матрица памяти – накопитель, представляющий собой совокупность элементов памяти. Элемент памяти может хранить один разряд числа, т. е. бит информации. Элементы памяти размещаются по строкам   и столбцам , так что их общее число равно произведению .

Местоположение элемента памяти (ЭП) определяется двумя координатами X и Y. Для обращения к нужному элементу памяти (выборки ЭП) сигналами единичного уровня возбуждаются адресные линии строки и столбца, на пересечении которых находится данный ЭП. На всех остальных адресных шинах должны быть сигналы нулевого уровня. Такая система адресации информации (выборки ЭП) при обращении к накопителю получила название матричной.

Формирование сигналов выборки производится дешифратором кода адреса. После того, как ЭП выбран, можно либо за писать в него информацию, либо считать.

(слайд 12). Входные информационные сигналы DI поступают в устройство записи УЗ, которое служит для записи инфор мации в ЭП. Выходные информационные сигналы DO считываются из БИС ЗУ через устройство считывания УС.

Управляющие сигналы , , , / ,  поступают в УУ и УЗ и определяют режим работы БИС ЗУ (запись, хранение, считывание информации).

Входы и выходы ЗУ имеют следующие обозначения:

DO (от англ. Data output) – данные выходные;

DI (data input) – данные входные;

,  (chip select) – выбор микросхемы;

 (write) – писать;

 (read) – читать;

 (row address select) – выбор адреса строки (строб адреса строки);

 (calumn address select) – выбор адреса столбца (строб адреса столбца).

Входной сигнал (запись – считывание) на входе микросхемы означает, что нулем () осуществляется режим записи, а единицей по этому же входу – режим чтения ().

Адресные сигналы  поступают на схемы дешифрации DCX, DCY, которые определяют, к какому элементу памяти накопителя производится обращение в соответствии с заданным кодом адреса. Выходные схемы связаны с устройством считывания УС, которое служит для усиления считанной информации из накопителя и передачи ее на выход DO.

(Принцип работы – самостоятельно. Безуглов Д.А., Калиенко И.В. Цифровые устройства и микропроцессоры. 2006. Стр. 298-299.)

1.5. Микросхемы памяти в составе микропроцессорной системы

На рисунке 15.3 представлено взаимодействие ИМС К573РФ2(5) и К573РУ9, имеющих одинаковую организацию 2К×8, с системной магистралью.

(слайд 13).

 

Рисунок 15.3 – Микросхемы ОЗУ (К573РУ9) и

Буферная память

 

(слайд 15). В вычислительных системах используются подсистемы с различным быстродействием, и, в частности, с различной скоростью передачи данных (рисунок 15.5). Обычно обмен данными между такими подсистемами реализуется с использованием прерываний или канала прямого доступа к памяти (ПДП). В первую очередь «Подсистема 1»формирует запрос на обслуживание по мере готовности данных к обмену. (слайд 16). Однако обслуживание прерываний связано с непроизводительными потерями времени и при пакетном обмене производительность «Подсистемы 2» заметно уменьшается. При обмене данными с использованием канала ПДП «Подсистема 1» передает данные в память «Подсистемы 2». Данный способ обмена достаточно эффективен с точки зрения быстродействия, но для его реализации необходим довольно сложный контроллер ПДП.

 

 

Рисунок 15.5 – Структурная схема обмена

Стековая память

 

(слайд 20). Стеком называется память с определенной (упрощенной) формой адресации.

Стековой называют память, доступ к которой организован по принципу: "последним записан – первым считан" (Last Input First Output – LIFO). Использование принципа доступа к памяти на основе механизма LIFO началось с больших ЭВМ. Применение стековой памяти оказалось очень эффективным при построении компилирующих и интерпретирующих программ, при вычислении арифметических выражений с использованием польской инверсной записи. В малых ЭВМ она стала широко использоваться в связи с удобствами реализации процедур вызова подпрограмм и при обработке прерываний.

Принцип работы стековой памяти состоит в следующем (рисунок 15.7). Когда слово А помещается в стек, оно располагается в первой свободной ячейке памяти. Следующее записываемое слово перемещает предыдущее на одну ячейку вверх и занимает его место и т. д. Запись 8-го кода, после H, приводит к переполнению стека и потере кода A. Считывание слов из стека осуществляется в обратном порядке, начиная с кода H, который был записан последним. Заметим, что выборка, например, кода E невозможна до выборки кода F, что определяется механизмом обращения при записи и чтении типа LIFO. (слайд 21). Для фиксации переполнения стека желательно формировать признак переполнения.

 

 

Рисунок 15.7 – Принцип работы стековой памяти

 

Перемещение данных при записи и считывании информации в стековой памяти подобно тому, как это имеет место в сдвигающих регистрах. С точки зрения реализации механизма доступа к стековой памяти выделяют аппаратный и аппаратно-программный (внешний) стеки.

Аппаратный стек представляет собой совокупность регистров, связи между которыми организованы таким образом, что при записи и считывании данных содержимое стека автоматически сдвигается. Обычно емкость аппаратного стека ограничена диапазоном от нескольких регистров до нескольких десятков регистров, поэтому в большинстве МП такой стек используется для хранения содержимого программного счетчика и его называют стеком команд. Основное достоинство аппаратного стека – высокое быстродействие, а недостаток – ограниченная емкость.

(слайд 22). Наиболее распространенным в настоящее время и, возможно, лучшим вариантом организации стека в ЭВМ является использование области памяти. Для адресации стека используется указатель стека, который предварительно загружается в регистр и определяет адрес последней занятой ячейки. Помимо команд CALL и RET, по которым записывается в стек и восстанавливается содержимое программного счетчика, имеются команды PUSH и POP, которые используются для временного запоминания в стеке содержимого регистров их восстановления, соответственно. В некоторых МП содержимое основных регистров запоминается в стеке автоматически при прерывании программ. Содержимое регистра указателя стека при записи уменьшается, а при считывании увеличивается на единицу при выполнении команд PUSH и POP, соответственно.

Рассмотрим организацию стека. В МПУ (на базе МПК КР580) стек организуется следующим образом. В оперативной памяти (ОЗУ) команды размещаются в ячейках с младшими, последовательно нарастающими адресами. Стек использует ячейки со старшими адресами и по мере заполнения стека з анимаются ячейки с адресами, последовательно убывающими. Таким образом, адреса этих двух частей памяти изменяются навстречу друг другу (рисунок 15.8 а).

(слайд 23).
Рисунок 15.8 – Стек: а) организация стека в ОЗУ;     б) процессы при записи в стек; в) процессы при чтении из стека

 

(слайд 24). Особенность организации стека состоит в следующем:

- указатель стека SP содержит адрес входа в стек.

- при чтении из стека производится выборка содержимого ячейки по адресу входа в стек (по адресу, хранящемуся в указателе стека SP);

- при записи в стек вводимое в стек число помещается в ячейку с адресом, на единицу меньшим содержимо го SP;

- одновременно с записью и чтением изменяется содержимое SP (при записи уменьшается, а при чтении увеличивается на единицу).

Обмен со стеком производится двухбайтовыми словами, занимающими две ячейки памяти. Пусть указатель стека хранит адрес А. При вводе нового слова его байты должны быть помещены в пару соседних со входом в стек ячеек, имеющих адреса А-1 и А-2.

Таким образом, ввод в стек сводится к следующей последовательности действий:

- содержимое SP уменьшается на единицу и по образующемуся в SP адресу помещается старший байт вводимого двухбайтового слова;

- затем содержимое SP вновь уменьшается на единицу и по образующему ся в нем адресу помещается младший байт вводимого слова (см. рисунок 15.8 б).

Видно, что указатель стека SP каждый раз указывает адрес последней ячейки, занятой под стек (так называемый вход в стек).

Вывод данных из стека производится также двухбайтовыми словами. При этом каждый раз доступна для чтения лишь ячейка, адрес которой содержится в SP. Если указатель стека хранит адрес А, то байты выводимого из стека слова выбираются из ячеек памяти, имеющих адреса А и А+1.

Таким образом, выбор слова из стека сводится к такой последовательности действий:

- чтение младшего байта выводимого слова из ячейки, адресом которой служит содержимое SP, и увеличение содержимого SP на единицу;

- затем чтение старшего байта выводимого слова по хранящемуся в SP адресу и увеличение содержимого SP на единицу (см. рисунок 15.8 в).

Видно, что при записи и чтении производится обращение в ячейку, адрес которой связан с содержимым SP. Это упрощает адресацию памяти, но исключает возможность обращения в произвольную ячейку памяти.

 

Кэш-память

 

Универсальные МП применяются в компьютерах, а также во встраиваемых системах, и на них отрабатываются самые передовые решения по повышению быстродействия микросхем.

(слайд 25). Непрерывный рост производительности (скорости работы) МПС проявляется:

- в повышении скорости работы электронных схем;

- в специальных архитектурных решениях (конвейерная и векторная обработка данных, кэширование памяти и др.).

Быстродействие оперативной памяти также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратурных средств МП, в значительной степени потому, что одновременно происходит опережающий рост ее емкости. Это делает более трудным уменьшение времени цикла работы памяти. Без согласования пропускных способностей процессора и памяти невозможно в МПС реализовать производительность, соответствующую быстродействию МП.

(слайд 26). Преодолеть указанное противоречие и согласовать пропускные способности памяти и процессора помогают специальные структурные решения:

- конвейеризация процедур цикла выполнения команды (рабочего цикла машины). Например, простейшем случае предполагает выполнение параллельно во времени операции в АЛУ с выборкой из памяти следующей команды.

- буферизация – использование включенных между процессором и ОП существенно более, чем ОП, быстродействующих буферных памятей сравнительно небольшой емкости.

На рисунке 15.9 показана структура процессора, содержащая буфер команд и буфер операндов.

(слайд 27).

 

Рисунок 15.9 – Структурная схема МП,

Микросхемы памяти, виды и характеристика запоминающих устройств.

Буферная память.

Стековая память.

Кэш-память.

Заключение.

 

Учебная литература: [1] – [5].