Оперативная память ЭВМ. Структура запоминающего устройства со стековой организацией.

Запоминающее устройство с произвольным доступом (сокращённо ЗУПД; также Запоминающее устройство с произвольной выборкой, сокращённо ЗУПВ; англ. Random Access Memory) — один из видов памяти компьютера, позволяющий единовременно получить доступ к любой ячейке (всегда за одно и то же время, вне зависимости от расположения) по её адресу на чтение или запись.

Назначение ОЗУ

· Хранение данных и команд для дальнейшей их передачи процессору для обработки. Информация может поступать из оперативной памяти не сразу на обработку процессору, а в более быструю, чем ОЗУ, кэш-память процессора.

· Хранение результатов вычислений, произведенных процессором.

· Считывание (или запись) содержимого ячеек.

Особенности работы ОЗУ

Оперативная память может сохранять данные лишь при включенном компьютере. Поэтому при его выключении обрабатываемые данные следует сохранять на жестком диске или другом носителе информации. При запуске программ информация поступает в ОЗУ, например, с жесткого диска компьютера. Пока идет работа с программой она присутствуют в оперативной памяти (обычно). Как только работа с ней закончена, данные перезаписываются на жесткий диск. Другими словами, потоки информации в оперативной памяти очень динамичны.

ОЗУ представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом. Это означает, что прочитать/записать данные можно из любой ячейки ОЗУ в любой момент времени. Для сравнения, например, магнитная лента является запоминающим устройством с последовательным доступом.

Логическое устройство оперативной памяти

Оперативная память состоит их ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес. Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные адреса. Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах.

Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако многие команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область памяти, состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).

Типы оперативной памяти

Принято выделять два вида оперативной памяти: статическую (SRAM) и динамическую (DRAM). SRAM используется в качестве кэш-памяти процессора, а DRAM - непосредственно в роли оперативной памяти компьютера.

SRAM состоит из триггеров. Триггеры могут находиться лишь в двух состояниях: «включен» или «выключен» (хранение бита). Триггер не хранит заряд, поэтому переключение между состояниями происходит очень быстро. Однако триггеры требуют более сложную технологию производства. Это неминуемо отражается на цене устройства. Во-вторых, триггер, состоящий из группы транзисторов и связей между ними, занимает много места (на микроуровне), в результате SRAM получается достаточно большим устройством.

В DRAM нет триггеров, а бит сохраняется за счет использования одного транзистора и одного конденсатора. Получается дешевле и компактней. Однако конденсаторы хранят заряд, а процесс зарядки-разрядки более длительный, чем переключение триггера. Как следствие, DRAM работает медленнее. Второй минус – это самопроизвольная разрядка конденсаторов. Для поддержания заряда его регенерируют через определенные промежутки времени, на что тратится дополнительное время.

Основными характеристиками ОЗУ являются информационная емкость и быстродействие. Емкость оперативной памяти на сегодняшний день выражается в гигабайтах.

ЗУ со стековой организацией широко используется при построении системы прерываний ЭВМ, а также при программировании алгоритмов, связанных с обработкой данных типа вектор, массив (переменных с индексами). Стековые ЗУ обеспечивают запись, чтение информации в соответствии с правилом: последним пришёл, первым вышел (LIFO). В них при обращении доступна только одна ячейка – т.н. вершина стека. При записи в стек слово сначала записывается в вершину стека, а затем проталкивается внутрь ЗУ и т.д. при записи очередных слов. При выполнении операции чтения слово сначала выталкивается в вершину стека, а затем подаётся на выходную шину ЗУ.

Технически такая память может быть реализована на основе сдвиговых регистров в количестве n – штук: количество сдвиговых регистров определяется разрядностью ячеек – n. Разрядность регистров сдвига определяется ёмкостью стека. Такая организация стека называется магазинной (стековой) памятью (рисунок 1). Одна из основных проблем магазинных ЗУ – переполнение стека, которое ведёт к потере информации, поэтому не допустимо. Следить за возможным переполнением должен сам программист.

чт (pop)

зп (push)

Е-1

сдвиг

зп

чт

вых

вх

1 вершина стека n

1 n

1 n

…

1 n

Е=2^m

БУ

Рисунок 1 – Структура магазинных ЗУ

Недостаток ЗУ магазинного типа – большие затраты оборудования и, следовательно, высокая удельная стоимость: сдвиговые регистры сложнее обычных.

Стековые ЗУ по этой причине (с целью экономии оборудования) обычно организуются другим способом: вместо сдвига информации в них используется подвижный указатель вершины стека (УС). Структура стекового ЗУ представлена на рисунке 2. Операция записи осуществляется по сигналу ЗП: 1) ЗП: [УС]:=ВХ; 2) УС:=УС+1, т.е. сначала производится запись слова в вершину стека (в ячейку, на которую указывает УС), а затем УС инкрементируется.

E-1

вх n

зп (push)

чт (pop)

БУ

E-1

±1

m

…

n вых

вх n

1 n

1 n

…

1 n

УС

УС

n вых

вершина стека

…

1 n

1 n

…

Рисунок 2

Операция чтения реализуется по сигналу чтения ЧТ: 1) УС:=УС-1; 2) ВЫХ:= [УС]. Технически УС реализуется на основе реверсивного счетчика. Следует отметить, что запоминающая часть стековых ЗУ обычно располагается в адресном пространстве ОП: часть ячеек ОП отводится под стек.