Лекция
Это окончание невероятной информации про запоминающие устройства .
...
При этом все последующие (записанные) слова сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. При заполнении стека счетчик (СчСт) запрещает дальнейшие операции записи в стек.
Таким образом, в отличие от стека LIFO, в стеке FIFO перемещается не дно, а вершина. Записываемые в стек FIFO слова постепенно продвигаются от вершины ко дну, откуда и считываются по мере необходимости, причем темп записи и считывания определяются внешними управляющими сигналами и не связаны друг с другом.
Программная реализация стека FIFO в настоящем разделе не рассматривается, поскольку на практике используется достаточно редко.
Адресные ЗУ наиболее широко используются в современных ЭВМ для построения самых разнообразных устройств памяти. В процессе эволюции ЭВМ принципы построения и аппаратная реализация данных ЗУ прошли очень большой путь развития от первых ЗУ на электромагнитных реле до современных БИСов памяти емкостью в сотни Мбайт, которые в качестве ЗЭ используют либо разнообразные триггерные схемы на биполярных полупроводниках, либо МОП-структуры. При этом тип используемых ЗЭ влияет на структуру ЗУ. Кроме того, структура ЗУ во многом определяется особенностями его применения в конкретных устройствах ЭВМ. Все это привело к тому, что в процессе развития возникло весьма большое разнообразие структур ЗУ, которые различаются по способу организации, быстродействию, объему, аппаратурным затратам, стоимости.
Ранее отмечалось, что основной частью любой памяти является запоминающий массив (ЗМ), представляющий собой совокупность ЗЭ, соединенных определенным образом. ЗМ называют еще запоминающей матрицей. Каждый ЗЭ хранит бит информации и должен реализовывать следующие режимы работы:
- хранение состояния (0 или 1);
- выдачу сигнала состояния (считывание);
- запись информации (0 или 1).
К ЗЭ должны поступать управляющие сигналы для задания режима работы, а также сигналы при записи. При считывании ЗЭ должен выдавать сигнал о своем состоянии, поэтому любой ЗМ имеет систему адресных и разрядных линий (проводников).
Адресные линии используются для выделения по адресу совокупности ЗЭ, которым устанавливается режим считывания или записи. Число ЗЭ, входящих в эту совокупность, равно ширине выборки. Иными словами, с помощью адресных линий происходит выбор необходимой ячейки памяти. Разрядные линии используются для записи или считывания информации в ЗЭ каждого разряда ячейки памяти.
Адресные и разрядные линии носят общее название линий выборки. В зависимости от числа таких линий, соединенных с одним ЗЭ, различают двух-, трехкоординатные ЗУ и т.д., называемые ЗУ типа 2D, 3D, 2.5D, 2D-M (от слова dimension – размерность), и их разнообразные модификации.
Организация ЗУ типа 2D обеспечивает двухкоординатную выборку каждого ЗЭ ячейки памяти. Основу ЗУ составляет плоская матрица из ЗЭ, сгруппированных в 2k ячеек по n разрядов. Обращение к ячейке задается k-разрядным адресом, что дает одну координату. Выделение разрядов производится разрядными линиями записи и считывания, что дает вторую координату. Очень упрощенная структура ЗУ типа 2D представлена на рис. 11.6.
Адрес из k разрядов поступает на блок адресной выборки БАВ (который называют также адресным формирователем), управляемый сигналами Чт и Зап. Основу БАВ составляет дешифратор с 2k выходами, который при поступлении на его вход адреса формирует сигнал для выбора линии i. В зависимости от сигнала Чт или Зап БАВ в общем случае выдает сигнал, настраивающий ЗЭ i-й ячейки (i-й линии) на чтение либо на запись. Выделение разряда j в i-м слове (ЗУ серого цвета) производится второй координатной линией. При записи по линии j от БУЗ поступает сигнал, устанавливающий выбранный для записи ЗЭi,j в состояние 0 или 1. При считывании на БУС по линии j поступает сигнал о состоянии ЗЭi,j.
Следует иметь в виду, что ЗЭ должны допускать объединение выходов для работы на общую линию с передачей сигналов только от выбранного ЗЭ. Это свойство ЗЭ используется во всех современных ЗУ.
Таким образом, каждая адресная линия выборки ячейки памяти в общем случае передает три сигнала:
- выборка при записи;
- выборка при считывании;
- отсутствие выборки.
Однако во многих современных ЗУ достаточно только двух сигналов – выборка и отсутствие выборки.
Рис.14.6. Структура ЗУ типа 2D
Каждая разрядная линия записи передает в ЗЭ записываемый бит информации, а разрядная линия считывания – считываемый из ЗЭ бит информации. Линии записи и считывания могут быть объединены в одну при использовании ЗЭ, допускающих соединение выхода со входом записи. В современных ЗУ широко используются совмещенные функции линий считывания и записи.
ЗУ типа 2D являются быстродействующими и достаточно удобными для реализации. Однако такие ЗУ неэкономичны по объему оборудования из-за наличия дешифратора на 2k выходов. В настоящее время структуры типа 2D используются, в основном, в ЗУ небольшой емкости (не более 1 К).
Для построения ЗУ больших объемов используют другую схему и другие типы ЗЭ, которые имеют не один, а два конъюнктивно связанных входа выборки. В этом случае адресная выборка осуществляется только при одновременном появлении двух сигналов. Использование таких ЗЭ позволяет строить ЗУ с трехкоординатным выделением ЗЭ. Итак, ЗУ типа 3D отличается от 2D тем, что к каждому ЗЭ подходят три линии выборки: две координатные и одна разрядная.
Запоминающий массив ЗУ типа 3D представляет собой пространственную матрицу, составленную из n плоских матриц. Каждая плоская матрица представляет собой ЗМ для запоминания j-х разрядов всех слов, т.е. запоминающие элементы для одноименных разрядов всех хранимых в ЗУ чисел сгруппированы в квадратную матрицу из 
рядов по ЗЭ в каждом. Это означает, что к записи или считыванию готов только тот элемент, для которого сигналы адресной выборки по координатам X и Y совпали. Для адресной выборки ЗЭ в плоской матрице необходимо задать две его координаты в ЗМ.
Структура матрицы j-го разряда в ЗУ типа 3D представлена на рис. 11.7. Код адреса i-й ячейки памяти разделяется на старшую и младшую части, каждая из которых поступает на свой адресный формирователь. Адресный формирователь БАВ1 выдает сигнал выборки на линию i', а БАВ2 – на линию i''. В результате в ЗМ оказывается выбранным ЗЭ, находящийся на пересечении этих линий (двух координат), т.е. адресуемый кодом i=i' / i'' (ЗЭ серого цвета). Адресные формирователи управляются сигналами Чт и Зап и в зависимости от них выдают сигналы выборки для считывания или для записи. При считывании сигнал о состоянии выбранного ЗЭ поступает по j-линии считывания к БУС (третья координата ЗЭ при считывании). При записи в выбранный ЗЭ будет занесен 0 или 1 в зависимости от сигнала записи в j-й разряд, поступающего по j-й линии от БУЗ (третья координата ЗЭ при записи). Для полупроводниковых ЗУ характерно объединение в одну линию разрядных линий записи и считывания.
Для построения n-разрядной памяти используется n матриц рассмотренного вида. Адресные формирователи здесь могут быть общими для всех разрядных ЗМ.
запоминающие устройства типа 3D более экономичны по оборудованию, чем ЗУ типа 2D. Действительно, сложность адресного формирователя с m входами пропорциональна 2m, отсюда сложность двух адресных формирователей ЗУ типа 3D, пропорциональная 
, значительно меньше сложности адресного формирователя ЗУ типа 2D, пропорциональной 2k. Поэтому структура типа 3D позволяет строить ЗУ большего объема, чем структура 2D.
Рис.14.7. Структура ЗУ типа 3D для j-ого разряда
Структура типа 3D является наиболее удобной для построения статических ЗУ на многоэмиттерных биполярных транзисторах.
В ЗУ типа 2D-M ЗМ для записи n-разрядных двоичных чисел состоит из n плоских матриц для одноименных разрядов всех чисел, что имеет место в ЗУ типа 3D. Однако процесс записи и считывания информации существенно отличается, поскольку в ЗУ типа 2D-M используются другие ЗЭ, к каждому из которых подходят только две координатные линии. ЗЭ таких ЗУ имеют два входа (координатный и записи) и один выход, но обычно их выход объединен со входом записи.
Структура одноразрядного ЗУ типа 2D-M (ЗМ для j-го разряда всех ячеек памяти) приведена на рис. 14.8. 
Рис.14.8. Структура ЗУ типа 2D-M для j-ого разряда
Как и в ЗУ типа 3D, код адреса i-й ячейки памяти разделяется на две части, одна из которых поступает на БАВ, а другая – на разрядно-адресный коммутатор (РАдрК). РАдрК является не только устройством адресной выборки j-го разряда i-й ячейки памяти, но также устройством записи и считывания информации, хранимой в ЗЭ. Если на БАВ и РАдрК не приходит сигнал обращения к памяти Обр, то на их выходных линиях не возникают действующие на ЗЭ сигналы и все ЗЭ находятся в режиме хранения. При наличии сигнала Обр выполняется считывание или запись в зависимости от сигнала Чт/Зап. При считывании БАВ выдает по линии i¢ сигнал выборки для считывания, по которому со всех ЗЭ линии i¢ сигналы их состояний поступают на РАдрК. Коммутатор РАдрК мультиплексирует эти сигналы и передает на выход (Вых. инф.) сигнал только с линии i². При записи БАВ выдает по линии i¢ сигнал выборки для записи. Коммутатор РАдрК в зависимости от значения сигнала Вх. инф. выдает сигнал записи 0 или 1 на линию i² и сигналы, не воздействующие на ЗЭ, в остальные линии. В результате запись производится только в ЗЭ, лежащий на пересечении координатных линий i¢и i², причем i¢/i² = i (ЗЭ серого цвета).
Структура типа 2D-M является наиболее удобной для построения полупроводниковых ЗУ на МОП-структурах и широко используется в настоящее время как в динамических оперативных, так и в постоянных ЗУ.
Постоянные ЗУ в рабочем режиме ЭВМ допускают только считывание хранимой информации. В зависимости от типа ПЗУ занесение в него информации производится или в процессе изготовления, или в эксплуатационных условиях путем настройки, предваряющей использование ПЗУ в вычислительном процессе. В последнем случае ПЗУ называются постоянными запоминающими устройствами с изменяемым в процессе эксплуатации содержимым или программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ).
Постоянные ЗУ обычно строятся как адресные. Функционирование ПЗУ можно рассматривать как выполнение однозначного преобразования k-разрядного кода адреса ячейки запоминающего массива ЗМ в n-разрядный код хранящегося в ней слова.
По сравнению с ЗУ с произвольным обращением, допускающим как считывание, так и запись информации, конструкции ПЗУ значительно проще, их быстродействие и надежность выше, а стоимость ниже. Это объясняется большей простотой ЗЭ, отсутствием цепей для записи вообще или, по крайней мере, для оперативной записи, реализацией неразрушающего считывания, исключающего процедуру регенерации информации.
Одним из важнейших применений ПЗУ является хранение микропрограмм в микропрограммных управляющих устройствах ЭВМ. Для этой цели необходимы ПЗУ значительно большего, чем в ОП, быстродействия и умеренной емкости (10 000 - 100 000 бит).
Постоянные ЗУ широко используются для хранения программ в специализированных ЭВМ, в том числе в микро-ЭВМ, предназначенных для решения определенного набора задач, для которых имеются отработанные алгоритмы и программы, например в бортовых ЭВМ самолетов, ракет, космических кораблей, в управляющих вычислительных комплексах, работающих в АСУ технологических процессов. Такое применение ПЗУ позволяет существенно снизить требования к емкости ОП, повысить надежность и уменьшить стоимость вычислительной установки.
Очень широко ПЗУ используются в универсальных ЭВМ всех классов для хранения стандартных процедур начальной инициализации вычислительной системы и внешних устройств, например BIOS в PC фирмы IBM. Программное обеспечение контроллеров интеллектуальных внешних устройств ЭВМ обычно также хранится во встроенных ПЗУ.
На рис. 14.9 приведена схема простейшего ПЗУ со структурой типа 2D.
Рис.14.9. Постоянное ЗУ типа 2D
Запоминающий массив образуется системой взаимно перпендикулярных линий, в пересечениях которых устанавливаются ЗЭ, которые либо связывают (состояние 1), либо не связывают (состояние 0) между собой соответствующие горизонтальную и вертикальную линии. Поэтому часто ЗЭ в ПЗУ называют связывающими элементами. Для некоторых типов ЗЭ состояние 0 означает просто отсутствие запоминающего (связывающего) элемента в данной позиции ЗМ.
Дешифратор ДШ по коду адреса в РгА выбирает одну из горизонтальных линий (одну из ячеек ЗМ), в которую подается сигнал выборки. Выходной сигнал (сигнал 1) появляется на тех вертикальных разрядных линиях, которые имеют связь с возбужденной адресной линией. В зависимости от типа запоминающих (связывающих) элементов различают резисторные, емкостные, индуктивные (трансформаторные), полупроводниковые (интегральные) и другие ПЗУ.
В настоящее время наиболее распространенным типом являются полупроводниковые интегральные ПЗУ.
Полупроводниковые интегральные ПЗУ имеют все те же достоинства, что и полупроводниковые ЗУ с произвольным обращением. Более того, в отличие от последних они являются энергонезависимыми. Постоянные ЗУ имеют большую емкость на одном кристалле (в одном корпусе интегральной микросхемы). Положительным свойством интегральных ПЗУ является то, что некоторые типы этих устройств позволяют самому потребителю производить их программирование (занесение информации) в условиях эксплуатации и даже многократное перепрограммирование.
По типу ЗЭ, устанавливающих или разрывающих связь (контакт) между горизонтальными и вертикальными линиями, различают биполярные и МОП-схемы ПЗУ. Биполярные ПЗУ имеют время выборки 3-5 нс. Постоянные ЗУ на МОП-схемах имеют большую емкость в одном кристалле (корпусе), но и меньшее быстродействие: время выборки 10-15 нс.
По важнейшему признаку – способу занесения информации (программированию) различают три типа интегральных полупроводниковых ПЗУ:
· Программирование в процессе изготовления путем нанесения при помощи фотошаблонов в нужных потребителю точках контактных перемычек.
· Программирование путем выжигания перемычек или пробоя p-n переходов для уничтожения или образования связей между горизонтальными и вертикальными линиями (одноразовое программирование), которое может осуществить сам пользователь с помощью специального программатора.
· Электрическое перепрограммирование, при котором информация заносится в ЗМ электрическим путем, а стирание информации, необходимое для изменения содержимого ПЗУ, выполняется воздействием на ЗМ ультрафиолетовым излучением или электрическим путем (многократное программирование). Время программирования для обоих типов ППЗУ примерно одинаково и составляет около 30-100 с на 1 мегабит памяти.
Программируемые фотошаблонами и выжиганием ПЗУ могут строиться на основе как биполярных, так и МОП-схем. Перепрограммируемые ПЗУ используют только МОП-схемы, способные хранить заряды.
Флэш-память (flash-memory) по типу запоминающих элементов и основным принципам работы подобна памяти типа EEPROM (ППЗУ) с электрическим перепрограммированием. Однако ряд архитектурных и структурных особенностей позволяют выделить ее в отдельный класс. Разработка флэш-памяти считается кульминацией развития схемотехники памяти с электрическим стиранием информации, и стала возможной только после создания технологий сверхтонких пленок. Время электрического перепрограммирования флэш-памяти в отличие от существующих ППЗУ очень мало и составляет сотни наносекунд. Это позволяет использовать их в качестве оперативных внешних запоминающих устройств типа жесткого диска. Однако число циклов перезаписи флэш-памяти ограничено.
В схемах флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Это позволяет упростить схемы ЗУ, т. е. способствует достижению высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости. Технологически схемы флэш-памяти выполняются с высоким качеством и обладают очень хорошими параметрами.
Термин flash, по одной из версий, связан с характерной особенностью этого вида памяти – возможностью одновременного стирания всего ее объема. Согласно этой версии еще до появления флэш-памяти при хранении секретных данных использовались устройства, которые при попытках несанкционированного доступа к ним автоматически стирали хранимую информацию и назывались устройствами типа flash (вспышка, мгновение). Это название перешло и к памяти, обладавшей свойством быстрого стирания всего массива данных одним сигналом.
Одновременное стирание всей информации ЗУ реализуется наиболее просто, но имеет тот недостаток, что даже замена одного слова в ЗУ требует стирания и новой записи для всего ЗУ в целом. Для многих применений это неудобно, поэтому наряду со схемами с одновременным стиранием всего содержимого имеются схемы с блочной структурой, в которых весь массив памяти делится на блоки, стираемые независимо друг от друга. Объем таких блоков сильно разнится: от 256 байт до 128 Кбайт.
Число циклов перепрограммирования для флэш-памяти хотя и велико, но ограничено, т.е. ячейки при перезаписи "изнашиваются". Для того, чтобы увеличить долговечность памяти, в ее работе используются специальные алгоритмы, способствующие "разравниванию" числа перезаписей по всем блокам микросхемы.
Соответственно областям применения флэш-память имеет архитектурные и схемотехнические разновидности. Двумя основными направлениями эффективного использования флэш-памяти являются хранение не очень часто изменяемых данных (обновляемых программ, в частности) и замена памяти на магнитных дисках.
Для первого направления, в связи с редким обновлением содержимого, параметры циклов стирания и записи не столь существенны, как информационная емкость и скорость считывания информации. Стирание в этих схемах может быть как одновременным для всей памяти, так и блочным. Среди устройств с блочным стиранием выделяют схемы со специализированными блоками – несимметричные блочные структуры – по имени так называемых boot-блоков, в которых информация надежно защищена аппаратными средствами от случайного стирания. Эти ЗУ называют boot block flash memory. Boot-блоки хранят программы инициализации системы, позволяющие ввести ее в рабочее состояние после включения питания.
Микросхемы для замены жестких магнитных дисков (flash-file memory) содержат более развитые средства перезаписи информации и имеют идентичные блоки (симметричные блочные структуры). Накопители подобного типа широко используются фирмой Intel. Имеются мнения о конкурентоспособности этих накопителей в применениях, связанных с заменой жестких магнитных дисков для ЭВМ различных типов.
В заключение следует отметить, что в настоящем разделе рассмотрены только основные типы ЗУ и ЗЭ, которые далеко не исчерпывают все разнообразие современной элементной базы устройств памяти ЭВМ.
1. Приведите важнейшие характеристики запоминающих устройств.
2. Классификация ЗУ по принципу действия.
3. Классификация ЗУ по способу реализации в памяти операций обращения.
4. Классификация ЗУ по способу организации доступа.
5. Иерархические уровни памяти современных ЭВМ.
6. Способы организации памяти.
7. Обобщенная структура адресного ЗУ.
8. Обобщенная структура ассоциативного ЗУ.
9. Обобщенная структура аппаратных стеков LIFO и FIFO.
10. Опишите процедуру записи слова в программный стек LIFO.
11. Структура ЗУ типа 2D.
12. Структура ЗУ типа 3D.
13. Структура ЗУ типа 2D-М и ее отличие от структур типа 2D и 3D.
14. Классификация ПЗУ по способу программирования.
15. Основные особенности флэш-памяти.
Надеюсь, эта статья про запоминающие устройства , была вам полезна, счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое запоминающие устройства и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Часть 1 Тема 11. Запоминающие устройства Лекция 14
Часть 2 14.3. Структуры адресных ЗУ - Тема 11. Запоминающие устройства Лекция
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Термины: Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров