Оперативні запам’ятовувальні пристрої

Полтавський Військовий Інститут Зв'язку

Кафедра схемотехніки радіоелектронних систем

ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ

напрям підготовки 0924 «Телекомунікації»

Оперативні запам'ятовувальні пристрої.

Полтава - 2006

Навчальна література.

1. Мікропроцесорна техніка: Підручник/ Ю.І. Якименко та інш. - К.: ІВЦ Політехніка; Кондор, 2004. с. 187-189, 217-235.

2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехніка. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. с. 175-187, 221-245.

3. Мюллер, Скотт. Модернизация и ремонт ПК, 16-е изд. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. с. 487 - 558.

ВСТУП.

Запам'ятовуючі пристрої (ЗП) є важливою частиною мікропроцесорних систем (МПС). Вони призначені для запису, зберігання та читання, або тільки для зберігання та читання інформації поданої у вигляді двійкових кодових слів.

Розглянуті раніше регістри, побудовані на тригерах, використовуються для тимчасового зберігання та перетворення одного чи декількох кодових слів (наприклад, у надоперативній пам'яті мікропроцесора). Використання регістрів для зберігання великих масивів інформації виявилося занадто нераціональним через те, що при цьому ЗП стають громіздкими, а їх ціна надмірно збільшується. Це пояснює застосування у МПС запам'ятовуючих пристроїв, побудованих на інших принципах. Для зберігання великих обсягів інформації будують ЗП з використанням спеціальних мікросхем, у кожній з яких можуть знаходитись мільйони біт.

Дана лекція присвячена розгляду основних показників та класифікації ЗП, які застосовуються у МПС та вивченню принципів побудови та функціонування оперативних запам'ятовуючих пристроїв статичного та динамічного типів. Матеріал даного заняття важливий для розуміння принципів функціонування будь-якої МПС.

1. Класифікація запам'ятовувальних пристроїв.

У сучасній ПЕОМ машині пам'ять, поза всяких сумнівів, посідає друге за важливістю місце після процесору. Параметри оперативної пам'яті у значній мірі визначають ефективність виконання різноманітних задач. Підвищення технічних та експлуатаційних характеристик сучасних МПС (особливо їх можливостей що до розв'язання складних задач, які потребують обробки великих масивів інформації) перш за все пов'язано з підвищенням ємності та швидкодії ЗП. Адже не достатньо тільки мати потужну та швидкодіючу пам'ять; не менш важливим є створення "сприятливих умов" для максимального використання її потенційних можливостей.

Для пам'яті сучасних ПК характерний ієрархічний принцип побудови. Тобто, у складі підсистеми пам'яті повинні бути ЗП, яки виконують різні функції та побудовані на основі різних принципів, тому що вимоги до пристроїв пам'яті дуже суперечливі та не можуть бути виконані у єдиному пристрої.

За виконуваними функціями розрізняють такі типи ЗП:

- оперативні запам'ятовуючі пристрої (ОЗП, RAM - Random Access Memory);

- постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗП, ROM - Read Only Memory);

- зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ЗЗП) або накопичувачі інформації.

Оперативний запам'ятовуючий пристрій -- це пам'ять комп'ютера, призначена для зберігання даних, адрес та програм, які використовує комп'ютер в даний момент часу. У комп'ютері ОЗП використовують як для зберігання програм і даних користувача, так і для зберігання системних програм і даних, які забезпечують власне функціонування самої обчислювальної машини. Сукупність останніх отримала назву операційної системи.

Постійні запам'ятовуючі пристрої призначені для зберігання певної одноразово записаної до них інформації, яка має зберігатися навіть за умов знеструмлення комп'ютеру. Такою інформацією є базові системні дані і програми, потрібні для завантаження операційної системи та керування роботою зовнішніх пристроїв комп'ютеру. Таким чином, постійний запам'ятовуючий пристрій -- це пам'ять комп'ютера, призначена для зберігання службових програм і даних, які не можуть бути змінені у процесі його роботи.

Зовнішня пам'ять може розглядатися як архівна пам'ять, призначена для довготермінового зберігання великих масивів інформації.

Підсумовуючи вищесказане, взаємодію типів ЗП можна зобразити схемою, що подана на рис.1.

За способом доступом до інформації розрізняють такі типи ЗП:

1. ЗП з довільним доступом до інформації;

2. ЗП з прямим доступом до інформації;

3. ЗП з послідовним доступом до інформації.

Довільний доступ до інформації передбачає можливість прямого безпосереднього звернення до будь-якої комірки пам'яті не залежно від місця її розташування у ЗП. Треба також зазначити, що при цьому час, потрібний для такого звернення теж не залежить від місця розташування відповідної комірки у масиві пам'яті.

Рис. 1. Ієрархічний принцип побудови пам'яті ЕОМ.

Прямий доступ до інформації передбачає можливість також прямого безпосереднього звернення до будь-якої масиву (кластера) пам'яті не залежно від місця її розташування у ЗП.

Але ж час, потрібний для такого звернення залежить від місця розташування відповідного кластера у масиві пам'яті.

Послідовний доступ передбачає можливість звернення до комірок пам'яті тільки у порядку черги, тобто для запису чи читання будь-якої комірки треба перш за все "перегорнути" усі попередні комірки. Таку систему звернення можна порівняти із способом отримання доступу до певного запису на магнітофонній касеті. Перш ніж отримати його, треба перемотати касету до потрібного місця. Звичайно у цьому випадку неминучі великі витрати часу, тому такий метод доцільно застосовувати лише для архівних пристроїв зберігання даних на магнітній стрічці, які отримали назву стримерів.

За типом носіїв інформації розрізняють: напівпровідникові, магнітні та оптичні ЗП.

Напівпровідникові ЗП, побудовані з використанням біполярних та МОН (Метал-Окис-Напівпровідник) - транзисторів, використовують для реалізації швидкодіючої оперативної пам'яті, до якої висуваються досить високі вимоги. Ці пристрої використовують властивість деяких електронних пристроїв необмежений час знаходитись у одному з двох стійких станів ("0" або "1") або зберігати певний електричний заряд, як ознаку запису у ЗП одного біту інформації. Постійні ЗП також напівпровідникові.

Магнітні ЗП використовують властивість тонких плівок, виготовлених з феросплаву на основі оксиду хрому, або кобальту (раніше використовувався оксид заліза) довгий час зберігати остаточну намагніченість після впливу на них магнітним полем. Невелика область магнітної поверхні (домен) під впливом магнітного поля впорядковує свої елементарні вектори намагнічування, що розглядається як запис одного біту інформації. До таких пристроїв найбільш важливою є велика інформаційна ємність та низька вартість зберігання одиниці інформації. Найбільшого розповсюдження набули накопичувачі на магнітних дисках (гнучких та жорстких) та магнітних стрічках.

Оптичні ЗП, або пристрої пам'яті на лазерних дисках використовують властивість фоточутливого шару, нанесеного на пластикову поверхню диску, змінювати колір або форму під впливом сильно сфокусованого лазерного променя. Наявність у цьому шарі, захищеному зверху шаром лаку, мікрозаглиблення або мікрокрапки іншого кольору після її експозиції променем лазеру, сприймається як запис одного біту інформації. У порівнянні з магнітними носіями інформації, лазерні диски є більш надійними і можуть зберігатися набагато довше.

Класифікація ЗП за способом доступу до інформації та типом носія зображена на рис.2.

Рис. 2. Класифікація пристроїв пам'яті за способом доступа до інформації та типом носія .

Основними показниками ЗП є:

1. Обсяг пам'яті пристрою, який характеризує його здатність зберігати велику кількість програм і даних.

2. Розрядність пам'яті, яка визначає діапазон чисел, розміщених у комірках. Найбільш розповсюджена на даний момент розрядність -- 64 та 128. Цей показник тісно пов'язаний з розрядністю шини даних процесору, адже саме по цій шині інформація з пам'яті надходитиме до нього на обробку.

3. Швидкодія пам'яті, яка характеризує витрати часу на занесення даних до неї (запис) та на отримання їх назад (читання). Діапазон цього показника досить широкий: від кількох мілісекунд для накопичувачів на жорстких дисках і до наносекунд для сучасних ОЗП.

4. Енергоспоживання та геометричні розміри визначають ефективність використання того чи іншого типу пам'яті у конкретному обчислювальному пристрої. Особливо гостро стоїть проблема зниження розмірів та споживаної електроенергії для портативних переносних комп'ютерів, які мають працювати у автономному режимі 4-5 годин.

Поняття про адресну організацію ЗП

Запам'ятовувальні пристрої з довільним зверненням найчастіше мають адресну організацію. Масив ЗП складається з комірок, кожна з яких зображує групу запам'ятовувальних елементів, які призначена для зберігання двійкового слова визначеної розрядності (наприклад, байт). Кожній комірці масиву пам'яті присвоєна адреса, яким є її двійковий порядковий номер (звичайно, починаючи з 0). Найбільш загальна структурна схема адресного ЗП зображена на рис. 3.

Рис. 3. Структурна схема адресного запам'ятовувального пристрою типу 2D.

Дана схема належить до так званої структури 2D. Основний недолік такої структури -- надмірне ускладнення дешифратора адреси при великої кількості адресованих комірок пам'яті. Спростити дешифратори адреси можна, використовуючи структуру 3D, яка зображена на рис.4.

Рис. 4. Структура ЗП типу 3D

Елементи пам'яті у структурі 3D створюють прямокутну матрицю, у якій положення кожного з них визначається двома координатами: Х- номер рядка та Y- номер стовпчика. Така побудова дозволяє набагато зменшити кількість виходів дешифратора адреси (наприклад, якщо для адресування лінійно розташованих 100 комірок пам'яті потрібен дешифратор на 100 виходів, то за умов використання матриці 10х10 - два дешифратори на 10 виходів кожний).

2. Оперативні запам'ятовувальні пристрої статичного типу.

Статична пам'ять (Static RAM -- SRAM) отримала свою назву через те, що кожен занесений до неї біт інформації може знаходитись там необмежений час без будь-якого поновлення. Єдиною умовою збереження інформації у статичних ЗП є постійна наявність електроживлення мікросхем пам'яті, тому вони, як і усі інші типи оперативної пам'яті, відносяться до енергозалежних пристроїв. При зникненні напруги живлення, уся інформація, що знаходилась у комірці такого типу пам'яті буде стерта.

Основою побудови статичних ЗП є простіші RS-тригери, реалізовані не у ТТЛ технології (яка є дуже енерговитратною) а у МОН. Наявність бістабільного елементу дозволяє приймати та видавати дані на відповідні шини комп'ютеру у будь-який момент часу майже без затримки, тобто швидкодія таких ЗП є достатньо високою. Додаткова перевага статичних ОЗП полягає в тому, що при читанні інформація не руйнується, тобто не потрібно втрачати час на її відновлення на відміну від динамічних ОЗП.

Найбільш суттєвим недоліком таких ЗП є їх відносна складність у виготовленні, особливо коли мова йде про ЗП з великою інформаційною ємністю. Неважко підрахувати, що для виготовлення найпростішого тригеру потрібні принаймні два транзистори, декілька резисторів навантаження і хоча б два конденсатори (запам'ятовуючий елемент сучасної статичної пам'яті має принаймні шість транзисторів). Тому статичні ЗП у якості основного ОЗП не використовують. Але висока швидкодія цих ЗП дозволила використовувати їх у якості буферних пристроїв пам'яті. Головне завдання їх полягає у узгодженні між собою пристроїв ЕОМ, які мають суттєву різницю у швидкодії. До речі, пристрій пам'яті, які виконує таку функцію отримав назву кеш-пам'яті.

Схематичне зображення мікросхеми ОЗП інформаційною ємністю Nx8 ілюструє рис. 5. Такий ОЗП припускає читання/запис 8-розрядного коду. Для запису 0 або 1, що надходять на входи DIO₇- DIO₀, потрібно на адресні входи подати код адреси, а на входи CS і W/R відповідно сигнали дозволу і читання/запису (1/0). Подача пасивного рівня на вхід ОЕ переводить мікросхему у так званий високоімпедансний стан (третій стан), тобто відключає від інформаційного обміну по шині даних. Таким чином процесор може здійснити читання/запис інформації із статичного ОЗП за два такти, що і обумовлює високо швидкодію пам'яті цього типу ( цикл звертання -- одиниці нс).

Елементарна комірка динамічної пам'яті (Dynamic RAM - DRAM) складається з одного конденсатора і замикаючого транзистора. Це дає можливість досягти набагато більшої щільності розміщення елементів і, у результаті, значно знизити вартість ОЗП. З іншого боку, дана технологія має ряд недоліків, головним з який є те, що заряд, що накопичується на конденсаторі, згодом губиться. Незважаючи на те, що при конструюванні конденсаторів комірки динамічної пам'яті використовується гарний діелектрик з електричним опором декілька тераОм (10¹² Ом), заряд конденсатора губиться дуже швидко, тому що розміри одного конденсатора мікроскопічні, а ємність мізерна (порядку 10^-15 Ф). При такій ємності на такому конденсаторі накопичується усього близько 40000 електронів! Середній час витоку заряду при сучасному дизайні комірок динамічної пам'яті складає сотні навіть десятки мілісекунд. Виходить, заряд кожного осередку потрібно відновлювати протягом даного відрізка часу, інакше інформація, що зберігається в пам'яті, буде загублена.

Порядок функціонування МС динамічної пам'яті

На відміну від SRAM адреса осередку DRAM передається в два кроки -- спочатку адреса стовпця, а потім і рядка. Це дає можливість знизити кількість виводів шини адреси приблизно вдвічі, за рахунок чого зменшити розміри корпуса і розмістити більшу кількість мікросхем на материнській платі. З іншого боку, це, безумовно, впливає на швидкодію, тому що для передачі адреси потрібно вдвічі більше часу.

Рядок масиву пам'яті також називають сторінкою пам'яті (Page). Для вказівки, яка саме частина адреси передається у визначений момент часу, служать два допоміжних сигнали - RAS (Row Address Strobe - строб рядка) і CAS (Column Address Strobe - строб стовпчика.

При звертанні до комірки пам'яті на шину адреси виставляється адреса рядка (Row). Після того як сигнал на шині стабілізувався, подається сигнал на лінію RAS, і адреса записується у внутрішній регістр мікросхеми пам'яті. Слідом за цим на шину адреси виставляють адресу стовпця, і видається сигнал CAS. Це, у залежності від стану ще однієї додаткової лінії - WE (Write Enable - дозвіл запису), приводить або до читання даних з осередку, або до їх запису. Інтервал між установкою адреси і видачею сигналу RAS (чи CAS) обумовлюється технічними характеристиками мікросхеми, але звичайно адреса виставляється в такті системної шини, а керуючий сигнал - у наступному. Таким чином, для читання чи запису однієї комірки пам'яті необхідно п'ять тактів (адреса рядка RAS адреса стовпця CAS операція читання/запис), у той час як SRAM вимагає всього два чи три такти.

Крім того, що конденсатор комірки пам'яті згодом втрачає заряд, операція читання також призводить до його втрати, тому після кожного читання дані повинні бути відновлені. Це досягається за рахунок повторного запису тих же даних відразу після читання. Якщо бути точним, то необхідний осередок вибирається тільки адресою рядка. А стовпці - це провідники, по яких дані записуються в осередок чи зчитуються з нього. При читанні одного осередку видаються дані відразу всього обраного рядка, але використовуються тільки ті, які знаходяться в потрібному для нас стовпці, а всі інші ігноруються. Таким чином, операція читання навіть одного осередку руйнує дані всього рядка, і їх потрібно відновлювати. Регенерація даних після читання виконується автоматично інтерфейсною логікою мікросхеми.

Тому що на читання першого біта інформації часто потрібен більший час, ніж для читання наступних, то звичайно для позначення швидкодії пам'яті використовують наступне позначення: х-у-у-у-у-.., де х - кількість тактів шини, необхідна для читання першого біта; у - для всіх наступних. У ПК досить часто відбувається читання чотирьох суміжних комірок пам'яті (це зв'язано із середньою довжиною команди процесора Pentium), тому багато типів пам'яті спеціально оптимизовані для даного режиму роботи, і в порівняльних характеристиках швидкодії звичайно приводиться тільки кількість циклів, необхідних для читання перших чотирьох комірок. Іншими словами, запис 3-1-1-1 говорить про те, що для читання першої комірки пам'яті необхідно 3 такти, а для читання наступних трьох - по одному.

УГП мікросхеми динамічного ЗП приведено на рис. 6. Позначення виводів мікросхеми таке: A0-A9 10-розрядна шина адреси; D IN однобітовий вхід запису даних; OUT однобітовий вихід зчитаних даних; RAS вхід строба рядка; CAS вхід строба колонки; WE - вхід керування запису/зчитування (1 запис, 0 читання). Адреса у МС вводиться за 2 прийоми. Спочатку лініями А0-А9 адресної шини вводяться 10 старших розрядів адреси і фіксуються стробом RAS, інші 10 молодших розрядів адреси через певну затримку передаються в мікросхему лініями А0-А9 і фіксуються стробом CAS.