7. Запам'ятовуючі пристрої

Одною з основних функціональних частин цифрових систем є запам'ятовуючий пристрій (ЗП), що служить для прийому, збереження і видачі інформації. Вимоги до обсягу пам'яті ЗП визначаються структурою і функціональним призначенням цифрових систем і тому вони міняються в дуже широких межах. Слід зазначити, що збільшення обсягу пам'яті розширює функціональні можливості цифрових систем. Для збереження 1 біт інформації потрібно запам'ятовуючий елемент (3Е), наприклад, тригер. Для збереження багаторозрядного числа, що містить мало біт, потрібно комірка пам'яті (КП), що складається з декількох ЗП

В даний час використовується головним чином адресний принцип збереження інформації, що передбачає наявність у кожної КП визначеного номера (адреси), що в явному чи неявному виді повинна бути зазначена при кожнім звертанні до ЗП. Крім адресних ЗП обмежене застосування знаходять асоціативні ЗП, звернення до яких організується на основі вмісту визначених розрядів чисел, що зберігаються в них. З огляду на мале поширення таких ЗП, надалі розглядати їх не будемо.

Раціональна організація пам'яті передбачає застосування ієрархічної структури ЗП, тому що за допомогою одного ЗП необхідної ємності практично неможливо реалізувати високу швидкодію при низькій вартості. При класифікації ЗП в цій ієрархії можна виділити: надоперативну пам'ять для збереження проміжних даних, адресної інформації й інших цілей у складі самого МП; оперативну пам'ять для збереження часто використовуючих даних і команд; зовнішні ЗП для збереження великих обсягів даних і програм. Ці ЗП що утворять зовнішню пам'ять, реалізуються у виді окремих периферійних пристроїв, що підключаються до МП - системи через інтерфейс. Крім того, застосовується велике число буферних ЗП для узгодження тимчасових параметрів у процесі обміну інформацією між пристроями.

Надоперативні, оперативні і буферні 3П реалізуються на основі напівпровідникових інтегральних мікросхем на біполярних і МОП -транзисторах. Зовнішні ЗП служать для збереження великих обсягів інформації. У таких ЗП в даний час використовуються магнітні носії інформації: магнітні стрічки, тверді чи гнучкі магнітні диски, включені у відповідну електромеханічну апаратуру (магнітофони, дисководи). ^ Вони підключаються до цифрової системи через інтерфейсні пристрої. Достоїнством магнітних носіїв є збереження інформації при відключенні живлення. Однак такі зовнішні ЗП Досить громіздкі і мають великий час запису-зчитування (0,01-10 с). З зовнішніх ЗП окремі масиви інформації, що підлягають поточній обробці, надходять у внутрішні ЗП,що служать також для збереження програми, що керує процесом обробки.

7.1. Класифікація й основні параметри запам'ятовуючих пристроїв

За способом звертання до пам'яті ЗП підрозділяються на ЗП з довільним доступом до пам'яті (з довільною вибіркою) і послідовним доступом. Довільний доступ припускає можливість звернення до окремих 3Е з метою чи запису зчитування в будь-якому необхідному для конкретних умов порядку. Послідовний доступ передбачає звернення до окремих 3Е тільки в порядку чи зростання їхніх номерів (адрес). Такий вид доступу характерний для зовнішньої пам'яті. За функціональним призначенню розрізняють:

оперативні ЗП (ОЗП)(RАМ - Random Access Memory -пам'ять з довільним доступом), у яких зберігаються програми, що визначають процес поточної обробки інформації, і масив оброблюваних даних;

надоперативні ЗП (ОЗП), швидкодія яких повинно відповідати швидкості роботи основних функціональних блоків системи;

постійні ЗП (ПЗП) (ROM - Read Only Memory - пам'ять тільки для читання).

Якщо в ОЗП інформація при повному відключенні живлення напруга руйнується, то в ПЗУ інформація зберігається і при відсутності живлення.

Постійні ЗП поділяються:

масочні ПЗП, інформація в який записується одноразово в процесі виготовлення

ППЗП (PROM) - це ПЗП, що допускають одноразовий запис інформації (програмування) споживачем;

ПЗП, що допускають можливість багаторазового програмування (репрограмування) після стирання попередньої інформації, що зберігалася в них. У частині з них передбачається можливість п електричного стирання інформації, скорочено їх позначають РПЗП чи EEPROM. В іншій частині стирання інформації забезпечується ультрафіолетовим опроміненням, скорочено їх позначають РПЗП УФ чи EPROM.

За способом збереження інформації в 3Е розрізняють статичні і динамічні ЗП. У статичних використовуються бістабільні 3Е; а в динамічних збереження інформації здійснюється за рахунок заряду спеціально сформованих у структурі напівпровідника конденсаторів. Такі 3Е мають більш просту структуру в порівнянні з бістабильннми і займають меншу площу на напівпровідниковому кристалі, але в процесі збереження інформації мають потребу в періодичному відновленні стану (регенерації).

Запам'ятовуючі пристрої класифікуються також відповідно до технології виконання і схемотехнічними особливостями мікросхем ЗП. На основі біполярних транзисторів застосовується схемотехника ЕСЛ, ТТЛ, ІЛ, а на основі Моп-транзисторів -р-МОП, n-МОП, КМОП і різні їхні різновиди. Незважаючи на велику розмаїтість схемотехнічних і технологічних рішень, використовуваних у ЗП, спостерігається тенденція в масових мікросхемах пам'яті задавати на входах і виходах рівні сигналів, характерні для ТТЛ - логічних елементів. Вихідні ланцюги найчастіше організуються або з трьома станами, або з відкритим колектором.

Запам'ятовуючі пристрої характеризуються наступними параметрами:

І. Інформаційна ємність Л визначається найбільшою кількістю інформації, зафіксованої в ЗП. Інформаційна ємність виміряється кількістю п збережених w-розрядних слів

N_u =(n-m) біт (7.1)

Одиницею для двійкової інформації є біт чи байт байт=8 біт; 1 Кбіт=2ш біт=1024 біт; І Кбайт=2і0байт-1024 байт; 1 Мбіт=220 біт = (1024)2 біт; 1 Мбайт=220 байт= (1024)2 байт).

У залежності від структури мікросхем пам'яті організація вибірки в них може бути порозрядною, коли здійснюється вибірка тільки одного ЗЕ чи словникової, коли одночасна вибирається m-розрядне число (слово), що зберігається в декількох 3Е(звичайно т = 4 або 8). Наприклад, мікросхема пам'яті ємністю 4096 біт = 4 Кбіт може мати організацію NH = nx m = 4096х 1; NH = 10^4*4; NH =512x8; NH =256x 16 біт і т.д.

2. Швидкодія ЗП визначається його тимчасовими характеристиками. Виконання однієї операції називається звертанням до ЗУ, а повний час її виконання - циклом звернення t0. Тому що в ЗП виконуються дві основні операції (читання і запис), те розрізняють цикл звертання пЈи читанні Юч і цикл звернення при записі t03. Проміжок часу від початку звертання при читанні до моменту появи слова на виході ЗУ називається часом вибірки tB.. Цикли, звернення до ЗП зв'язані з іншими тимчасовими характеристиками ЗП співвідношеннями:

to₄=t_n+t₄+t_p; t_O3=t_n+t_c+t₃; t_e=t_n + t₄,

де tn - час пошуку відповідного осередку ЗП; t4 - час зчитування інформації з осередку ЗП; tp - час регенерації (відновлення) інформації; tc - час регенерації (відновлення) інформації (установка ячейки в початковий при запису стан); t/час запису інформації.

3. Надійність ЗУ оцінюється як по відмовленнях, так і по збоях. Кількісною оцінкою надійності по відмовленнях служить імовірність безвідмовної роботи 3У в заданих умовах у межах заданого інтервалу часу, а по збоях - число збоїв на деяке число біт, наприклад, на 109 біт.

4.Вартість ЗУ| оцінюється як загальною вартістю усього ЗЦ, так і приведеною вартістю збереження одного біта інформації в ЗЮ:

5. Споживана потужність для ряду типів мікросхем пам'яті істотно залежить від режиму їхньої роботи. У режимі збереження потужність 3! знижується до мінімального рівня, достатнього для збереження в них інформації, а схеми обслуговування відключаються від джерела споживання. У режимі вибірки включаються схеми обслуговування, а потужність обираних ЗУ часто збільшують, щоб забезпечити малі значення tB, іоч і to3- У результаті потужність, споживана в режимі збереження (1^$), виявляється менше потужності в режимі вибірки (Рв).