5. Модуль памяти мпс. Выполняемые функции. Основные характеристики. Типы микросхем, применяемых для построения постоянной и оперативной памяти микропроцессорных систем.

Память МПС выполняет функции временного или постоянного хранения команд и данных. Организации и характеристики памяти существенно влияют на общетехнические показатели МПС: допустимая сложность выполняемых программ, производительность, время доступа к информации, стоимость и надежность.

Основные характеристиками памяти являются: информационная емкость, время доступа к информации.

Информационная емкость или, по-другому, объем памяти V_П определяется числом бит хранимой информации. Информация в памяти МПС хранится в ячейках, число разрядов которых равно количеству разрядов шины данных МП. Обычно оно кратно восьми (8, 16, 32, 64). Чаще всего объем или, по-другому, емкость памяти измеряется в байтах независимо от разрядности ячейки памяти. Используются также более крупные единицы объем памяти: килобайт – 2¹⁰ или 1024 байт (обозначается Кбайт), мегабайт – 2²⁰ или 1048576 байт (обозначается Мбайт), гигабайт – 2³⁰ байт (обозначается Гбайт), терабайт – 2⁴⁰ (обозначается Тбайт). Например, если память имеет 65536 ячеек, каждая из которых 16-разрядная, то считается, что память имеет объем 128 Кбайт.

Время доступа t_ДОСТ – это промежуток времени между началом обращения процессора за данными и моментом их появления на выходе памяти. Время доступа может быть различным при чтении и записи данных.

Максимальное количество ячеек памяти, к которым может обращаться МП, определяется как 2^m, где m – количество разрядов шины адреса. Это число называется системным адресным пространством (АП).

Поскольку разрядность шины адреса может составлять 16, 20 и более разрядов, адреса ячеек памяти при написании программ и рассмотрении работы МПС принято указывать в шестнадцатиричной (англоязычный термин – hexadecimal) системе счисления. Таким образом, при разрядности шины адреса 16 системное АП составит 64К с адресами от 0000h до FFFFh.

Память МПС делится на постоянную и оперативную. Объем и выполняемые ими функции зависят, в основном, от назначения и области применения конкретной МПС. В специализированных МПС типа контроллеров или микроконтроллеров, которые обычно работают по одной неизменяемой программе, постоянная память (ПЗУ) используется для постоянного хранения кодов программы. Оперативная память (ОЗУ) используется для временного хранения промежуточных данных при выполнении программы. Объем ОЗУ в таких МПС обычно небольшой и на один-два порядка меньше объема ПЗУ. В качестве оперативной памяти подобных МПС обычно используются микросхемы статических ОЗУ.

В универсальных МПС, например, персональных компьютерах (ПК), постоянная память имеет небольшой объем, обычно не более 64 Кбайт. Она служит для хранения программы BIOS – базовой системы ввода/вывода. Оперативная память используется для хранения исполняемых программ, а также исходных, промежуточных и окончательных данных. Оперативная память занимает значительную часть адресного пространства ПК и может достигать величины нескольких Гбайт. Так как оперативная память в таких МПС выполняет все основные функции при работе системы, то она часто называется основной памятью (ОП).

Для построения оперативной памяти МПС используются два основных вида микросхем:

1. ОЗУ статического типа (SRAM – Static Random Access Memory);

2. ОЗУ динамического типа (DRAM - Dynamic Random Access Memory).

Микросхемы SRAM используют в качестве запоминающей ячейки статические триггеры, которые с учетом схем управления требуют 4-6 транзисторов. Достоинством SRAM является высокое быстродействие – время доступа составляет 10-20 нс, простота управления памятью. Однако, SRAM имеет существенные недостатки: большая стоимость, большое энергопотребление, малый объем памяти в пределах одной микросхемы.

В микросхеме DRAM для запоминания бита используется состояние интегрального конденсатора «заряжен – не заряжен». Так как при этом необходим только электронный ключ (транзистор) для управления разрядом и зарядом конденсатора, то количество транзисторов для организации элементарной ячейки памяти в 4 раза меньше, чем в статической памяти. Однако динамическое ОЗУ, в отличие от статического, требует регенерации, предотвращающей потерю информации из-за разряда конденсатора током утечки. Регенерация заключается в считывании состояния заряда конденсатора и восстановлении этого состояния посредством последующей записи. Регенерация требует дополнительного времени в цикле обращения к памяти, что снижает быстродействие. Достоинством DRAM являются: малое энергопотребление, так как энергия потребляется ячейкой только в моменты записи и регенерации; низкая стоимость; большая информационная емкость отдельной микросхемы. Недостатками DRAM являются: невысокое быстродействие, время доступа составляет 60-80 нс; сложность управления, что объясняется необходимостью регенерации.

Однако, именно из-за низкой стоимости и малого энергопотребления DRAM используется в качестве основной памяти всех компьютеров. SRAM применяется только в тех случаях, когда необходима небольшая емкость оперативной памяти и высокое быстродействие как, например, в кэш-памяти.

На рис. 5.1 приведена структурная схема подключения к магистрали МПС модуля ОЗУ.

Селектор адреса декодирует старшие разряды ША и дает разрешение (сигнал CS) на работу микросхем модуля. Схема управления обрабатывает стробы обмена , и выдает сигналы управления: – запись в ОЗУ, – чтение из ОЗУ. Буфер данных имеет вход Т – направление передачи данных. В зависимости от сигнала на Т («0» или «1») меняется направление передачи данных: из ОЗУ на ШД или наоборот с ШД в ОЗУ. Для чтения данных из ОЗУ схема управления должна выдать сигнал = 0 для буфера данных, при этом на магистраль МПС передаются данные из выбранной ячейки ОЗУ. Буфер ОЗУ обязательно должен иметь выходы с тремя состояниями. Когда МП не обращается к данному модулю, буферы данных должны быть в Z-состоянии, чтобы не влиять на работу других устройств, подключенных к шине данных.

Рис. 5.1. Структура модуля памяти МПС