Тема 7. Запоминающие устройства

 

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими цифровыми устройствами.

Важнейшие параметры ЗУ.

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации. Выражается в битах или словах (в частности в байтах), например 128 бит, 64 килобайт. Бит хранится элементом памяти (ЭП), а слово – ячейкой памяти (ЯП), группой ЭП, к которым возможно лишь одновременное обращение при чтении или записи информации. Добавление к единице измерения множителя “K” (кило) означает умножение на 2¹⁰ = 1024, а множителя “M” (мега) – умножение на 2²⁰ = 1048576.

Организация ЗУ – произведение числа хранимых слов на их разрядность, например 128К´8. Очевидно, что это дает информационную емкость ЗУ, однако указывает и на размерность ЯП.

Быстродействие ЗУ оценивается временами считывания, записи и длительностями циклов чтения/записи. Время считывания – интервал между моментами установки сигнала чтения на входе ЗУ и появлением хранимой информации на выходе ЗУ. Время записи – интервал времени после появления на входе ЗУ сигнала записи и установлением ЯП в состояние, задаваемое входным информационным сигналом. Минимально допустимый интервал между последовательными чтениями и записями образует соответствующий цикл. Длительности циклов могут превышать время чтения или записи, так как после этих операций ЗУ может потребоваться время для восстановления необходимого начального состояния.

Помимо указанных параметров (эксплуатационных) для ЗУ указывают еще целый ряд временных интервалов, определяющие режимные параметры, обеспечение которых необходимо для нормального функционирования ЗУ. Так как ЗУ имеет несколько сигналов управления, то для них должны быть обеспечены определенные длительности и взаимное расположение во времени.

Типовой набор сигналов (входов и выходов) для ЗУ включает:

- адрес, разрядность которого определяется числом ячеек ЗУ, т.е. максимально возможным числм хранимых слов. Адрес является номером ЯП, к которой идет обращение. Например ЗУ с информационной емкостью 64К слов имеет 16-разрядные адреса, обозначаемые в виде двоичного числа А₁₅А₁₄…А₁А₀;

- R/W (Read/Write) – задает выполняемую операцию (при единичном значении – чтение, при нулевом – запись);

- DI (Data Input) и DO (Data Output) – сигналы шин входных и выходных данных, разрядность которых определяются организацией ЗУ (разрядностью его ЯП). В некоторых ЗУ эти шины объединены;

- СS (Chip Select) или CE (Chip Enable) – разрешает или запрещает работу данного ЗУ.

Для классификации ЗУ важнейшим признаком является способ доступа к данным. Различают адресные ЗУ, ЗУ с последовательным доступом и ассоциативные.

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

Адресные ЗУ делятся на оперативные ЗУ (ОЗУ) или ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ – Random Access Memory – RAM) и постоянные ЗУ (ПЗУ – Read-Only Memory – ROM).

ОЗУ хранят данные, участвующие в обмене при выполнении текущих операций, которые могут быть изменены в произвольный момент времени. Элементы памяти ОЗУ, как правило не обладают энергонезависимостью.

В ПЗУ содержимое либо вообще не меняется, либо изменяется, но редко и в специальном режиме. Для рабочего режима это память “только для чтения”.

Оперативные ЗУ делятся на статические (SRAM) и динамические (DRAM). В первом варианте в качестве ЭП используются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока ЗУ находится под питанием и нет новой записи данных. Во втором варианте данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП структур. Паразитная утечка зарядов конденсаторов ведет к потере данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться, однако в силу простоты ЭП плотность их размещения на кристалле в несколько раз превышает плотность, достигаемых в статических ОЗУ. Регенерация данных в динамических ОЗУ осуществляются с помощью специальных схем – контроллеров регенерации. Разработаны также динамические ЗУ, имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, и у которых поведение относительно внешних управляющих сигналов аналогично поведению статических ЗУ. Такие ЗУ называют квазистатическими.

Динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невысокой стоимостью. Поскольку от этого типа памяти зачастую требуется высокое быстродействие, то разработаны многочисленные архитектуры, удовлетворяющие в той или иной мере этому требованию: FPM, EDORAM, MDRAM, SDRAM, RDRAM и др.

Статические ЗУ в 4…5 раз дороже динамических и приблизительно во столько же раз меньше их по информационной емкости (при одинаковой площади кристалла). Их достоинством является высокое быстродействие.

Постоянные ЗУ делятся на однократно и многократно программируемые (перепрограммируемые – ППЗУ).

Среди однократно программируемых различают масочные ПЗУ (ROM(M)) и ПЗУ программируемые пользователем (ПЗУПП – PROM). Масочные ПЗУ программируются при изготовлении методами интегральной технологии с использованием масок, обеспечивающих установление требуемых соединений на кристалле. Программирование другого типа ПЗУ осуществляется путем пережигания определенных плавких перемычек (или теплового пробоя определенных р-n переходов), расположенных на кристалле, за счет подачи на них напряжения, существенно превышающих номинальное напряжение питания.

Перепрограммируемые ПЗУ обеспечивают возможность многократного изменения пользователем хранимой информации. Процесс перепрограммирования включает два этапа: стирание старой информации и запись новой. В ЭППЗУ-УФ (электрически программируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием – EPROM) стирание старой информации обеспечивается путем облучения ультрафиолетовым светом площади кристалла, что приводит к стиранию всей хранимой информации. В ЭППЗУ-ЭС (электрически стираемое ППЗУ – EEPROM) стирание производится электрическими сигналами, причем, в отличие от ЭППЗУ-УФ, может быть осуществлено только для группы ЯП (вплоть до одной). Запись новых данных осуществляется электрически. Перепрограммирование ЗУ производится обычно в лабораторных условиях с использованием специальных программаторов или за счет установления специальных режимов работы схем, иногда требующих наличия повышенного напряжения записи и (или) стирания.

Память типа Flash по ЭП подобна памяти типа EEPROM, но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид. В частности, она не требует повышенных напряжений при перепрограммировании.

В ЗУ с последовательным доступом записываемые данные образуют некоторую очередь. В таком ЗУ ячейки образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом цепями передачи слов. Слова становятся доступными для чтения и записи только в определенном порядке. Каждое хранящееся слово привязано не к конкретной ячейке, а к своему положению относительно других хранящихся слов. Слова могут перемещаться по ячейкам, но при этом сохраняют свою взаимную упорядоченность. Поэтому достаточно обеспечить средства для чтения только определенной ячейки. Конкретное слово считывается в тот момент, когда в процессе перемещения по памяти оно оказывается в ячейке, из которой может производиться чтение. Аналогично достаточно обеспечить средства для записи только в определенную ячейку ЗУ. В зависимости от того, как перемещаются слова в массиве памяти, ЗУ с последовательным доступом подразделяются на два основных типа:

- память типа очереди или типа FIFO (First Input First Output - первым вошел, первым вышел)

- память магазинного типа или типа стек.

Память типа очереди или память типа FIFO. В ЗУ этого типа слова перемещаются всегда в одном направлении – от входа к выходу, т.е. становятся доступными для считывания в том порядке, в котором производилась запись.

Возможно два варианта организации памяти типа FIFO. В первом случае запись информации в ячейку в начале цепочки и считывание в ее конце осуществляются по одному тактовому импульсу, т.е. синхронно. Во втором случае информация записывается в первую свободную ячейку. Запись и чтение информации производятся асинхронно. ЗУ этого типа используются в качестве буферов с целью согласования различных скоростей информационных потоков.

Стек. В ЗУ этого типа слова считываются в порядке, обратном порядку записи, т. е. по правилу LIFO (Last Input First Output – последним вошел, первым вышел). Стек можно представить в виде вертикально расположенного массива ячеек. Доступ осуществляется всегда к верхней ячейке, которая называется вершиной стека. При записи в вершину стека все слова сдвигаются вниз на одну ячейку, а содержимое нижней ячейки теряется, т.е. стек опускается и происходит операция вталкивания в стек (PUSH). При чтении из вершины стека происходит обратное действие, т. е. стек поднимается и происходит операция выталкивания из стека.

Ассоциативный доступ реализует поиск информации в ЗУ по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти (адресу или месту в очереди). В наиболее полной версии реализации доступа все хранимые в памяти слова проверяются на соответствие определенному признаку, например на совпадении отдельных элементов слов с признаком, определяемым входным словом. На выход подаются слова (или группы слов, связанных с обнаруженным), удовлетворяющих признаку.