Змістовий модуль 2. Схемотехніка запам’ятовуючих пристроїв.

Тема 3. Оперативна пам’ять.

Призначення пристроїв пам’яті, їх основні характеристики. Класифікація пристроїв пам’яті. Статичні оперативні запам’ятовуючі пристрої (ОЗП). Динамічні ОЗП. Зберігання, читання, регенерація даних. Особливості модернізації динамічної оперативної пам'яті. Побудова ОЗП із заданою організацією. Модулі пам’яті SIMM, DIMM.

Цифровою пам'яттю називається сукупність пристроїв, що служать для запам'ятовування, зберігання та видачі інформації. Окремі пристрої, що входять в цю сукупність, називаються пристроями певного типу. Термін "запам'ятовуючий пристрій" використовується у випадку, коли мова йде про принцип його побудови (наприклад, напівпровідниковий ЗП, ЗП на жорсткому магнітному диску), а термін "пам'ять" - коли хочуть підкреслити виконувану пристроєм пам'яті логічну функцію або місце розташування у складі устаткування (наприклад, оперативна пам'ять, постійна пам’ять, зовнішня пам'ять).

Запам'ятовуючі пристрої відіграють важливу роль у загальній структурі ПК. За деякими оцінками продуктивність комп'ютера на різних класах завдань на 40-50% визначається характеристиками ЗП різних типів, що входять до його складу.

Тому ємність пам'яті визначається в байтах, кілобайтах (1Кбайт = 2¹⁰ байт), мегабайтах (1Мбайт = 2²⁰ байт), гігабайти (1Гбайт = 2³⁰ байт). За одне звернення до пристрою зберігання даних проводиться зчитування або запис деякої одиниці даних, що називається словом. Це визначає різну організацію пам'яті. Наприклад, пам'ять об'ємом 1 мегабайт може бути організована як 1М слів по 1 байту, або 512К слів по 2 байти кожне, або 256К слів по 4 байти.

Класифікація запам'ятовуючих пристроїв

Запам'ятовують пристрої можна класифікувати по цілому ряду параметрів і ознак. На рис.1 представлена класифікація за типом обігу та організації доступу до комірок ЗП.

Рис. 1. Класифікація запам’ятовуючих пристроїв

За типом звернення ЗП діляться на пристрої, що допускають як читання, так і запис інформації, і постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗУ), призначені тільки для читання записаних в них даних (ROM - read only memory). ЗП першого типу використовуються в процесі роботи процесора для зберігання виконуваних програм, вихідних даних, проміжних і остаточних результатів. У ПЗУ, як правило, зберігаються системні програми, необхідні для запуску комп'ютера в роботу, а також константи. У деяких ЕОМ, призначених, наприклад, для роботи в системах управління по одним і тим же незмінним алгоритмам, все програмне забезпечення може зберігатися в ПЗУ.

У ЗП з довільним доступом (RAM - random access memory) час доступу не залежить від місця розташування ділянки пам'яті (наприклад, ОЗУ).

У ЗП з прямим (циклічним) доступом завдяки безперервному обертанню носія інформації (наприклад, магнітний диск - МД) можливість звернення до деякої ділянки носія циклічно повторюється. Час доступу тут залежить від взаємного розташування цієї ділянки і головок читання / запису і багато в чому визначається швидкістю обертання носія.

У ЗП з послідовним доступом проводиться послідовний перегляд ділянок носія інформації, поки потрібну ділянку не займе деякий потрібне положення навпроти головок читання / запису (наприклад, магнітні стрічки).

Як зазначалося вище, основні характеристики запам'ятовуючих пристроїв - це ємність і швидкодію. Ідеальне запам'ятовуючий пристрій повинен володіти нескінченно великою ємністю і мати нескінченно малий час звернення. На практиці ці параметри знаходяться в суперечності один одному: в рамках одного типу ЗП поліпшення одного з них веде до погіршення значення іншого. До того ж слід мати на увазі і економічну доцільність побудови запам'ятовує з тими чи іншими характеристиками при даному рівні розвитку технології. Тому в даний час запам'ятовують пристрої комп'ютера, як це і припускав Нейман, будуються за ієрархічним принципом (рис. 2).

Рис. 2. Класифікація ЗП за ієрархічним принципом

Надоперативна регістрова пам’ять процесора являє собою сукупність регістрів загального призначення. Звернення до НОЗП не потребує від МП виставлення адреси на шину АВ при зчитуванні/запису інформації, тому ці операції є найбільш швидкодіючими. Час вибірки НОЗП складає 5-7 нс. Загальна кількість 8- або 16-розрядних регістрів у МП зазвичай складає від 16 до 64.

Внутрішня кеш-пам’ять або кеш першого рівня L1 – це оперативний ОЗП статичного типу ємністю (1-16) Кбайт, який вбудовано безпосередньо у МП. Внутрішня кеш-пам’ять працює на тактовій частоті процесора. У моделях i386, i486 кеш-пам’ять є спільною для даних і команд. У МП Pentium і вище кеш-пам’ять використовується окремо для команд і даних.

Зовнішня кеш-пам’ять або кеш другого рівня L2 так само, як і внутрішня, являє собою ОЗП статичного типу, однак має значно більшу ємність. Вона встановлюється на системній платі і працює на частоті шини. Зовнішня кеш-пам’ять призначена для зменшення кількості звернень до інших менш швидкодіючих пристроїв пам’яті. Ємність зовнішньої кеш-пам’яті в сучасних ПЕОМ складає зазвичай 1 Мбайт і має тенденцію до збільшення.

Оперативна пам’ять – це ОЗП статичного або динамічного типу. У мікросхемах статичного типу елементом пам’яті є тригер на біполярних транзисторах або транзисторах зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник (МДН). У ОЗП динамічного типу елементом пам’яті є конденсатор. Оперативна пам’ять припускає зміну свого вмісту в ході виконання процесором обчислювальних операцій з даними і може працювати в режимі запису, зчитування і зберігання інформації. Оперативна пам’ять призначена для зберігання змінної інформації – поточних даних, результатів обчислень. Її обсяг становить 2-16 Гбайт, час доступу 70-200 нс. Оперативний запам’ятовувальний пристрій є енергозалежним, тому що інформація, записана в ньому, втрачається при вимкненні живлення.

Постійна пам’ять являє собою спеціальну мікросхему, яка містить інформацію, яка не повинна змінюватися у процесі виконання програми. Ця інформація заноситься у ПЗП при виготовленні або на етапі його програмування у спеціальному пристрої – програматорі, і у процесі роботи мікропроцесорної системи може тільки зчитуватися. Постійна пам’ять працює в режимах зберігання та зчитування і використовується для зберігання таблиць, констант, кодів команд програм, стандартних підпрограм, наприклад BIOS. Як правило, ПЗП має ємність 64-128 Кбайт. Записана в ПЗП інформація зберігається при вимкненні живлення.

Зовнішня пам’ять реалізується у вигляді накопичувачів зі змінними і незмінними носіями: на магнітних дисках, стpимеpах, оптичних та лазерних компакт-дисках (СD ROM). Обмін інформацією з пристроями пам’яті цього типу є найповільнішим, але ця пам’ять є найбільшою за ємністю. Ємність накопичувачів на твердих дисках складає декілька (1-1000) Гбайт. Низьку швидкодію зовнішніх ЗП на магнітних носіях зумовлено наявністю електромеханічних пристроїв.

Запам’ятовувальні пристрої характеризуються такими основними параметрами:

• розрядністю даних (визначається розрядністю комірки пам’яті);

• інформаційною ємністю (визначається кількістю одиниць інформації в бітах, яку ЗП може зберігати одночасно). Так, запис значення інформаційної ємності ЗП 2048*8 або 2К*8 означає, що ЗП може зберігати 2048 байт або 16384 біт;

• часом вибірки (визначається як інтервал від моменту видачі запиту на передачу даних з пам’яті до моменту появи інформації на виході ЗП);

• тривалістю циклу звернення (циклу пам’яті) t_ц (визначається мінімально допустимим інтервалом часу між двома послідовними зверненнями до ЗП);

• напругою живлення U_живл;

• потужністю енергоспоживання Р_спож (визначається добутком струму споживання і напруги джерела живлення). Для деяких типів ЗП наводять два значення потужності енергоспоживання – одне для режиму звернення, коли здійснюється запис або зчитування, інше – для режиму зберігання. Потужність енергоспоживання у режимі зберігання, як правило, істотно менша від потужності енергоспоживання режиму звернення;

• питомою вартістю (визначається відношенням вартості ЗП до його інформаційної ємності).

Динамічна оперативна пам'ять (DRAM - Dynamic Random Access Memory) - енергозалежна пам'ять з довільним доступом, кожна комірка якої складається з одного конденсатора і декількох транзисторів. Конденсатор зберігає один біт даних, а транзистори грають роль ключів, що утримують заряд в конденсаторі і дозволяють реалізувати зчитування і запис даних.

Однак транзистори і конденсатор - неідеальні, і на практиці конденсатор в режимах зберігання та зчитування досить швидко розряджається. Тому періодично, кілька десятків разів на секунду, доводиться його підзаряджати (процес регенерації). На практиці існують різні способи реалізації динамічної пам'яті. Спрощена структурна схема одного із способів реалізації наведена на рисунку 1.

Як видно рисунку, основним блоком пам'яті є матриця пам'яті, що складається з множини комірок, кожна з яких зберігає 1 біт інформації. Кожна комірка складається з одного конденсатора (С) і трьох транзисторів. Транзистор VT1 дозволяє або забороняє запис нових даних або регенерацію комірки. Транзистор VT3 виконує роль ключа, який утримує конденсатор від розряду і дозволяє або забороняє зчитування даних з комірки пам'яті.

Транзистор VT2 використовується для зчитування даних з конденсатора. Якщо на конденсаторі є заряд, то транзистор VT2 відкритий, і струм піде по лінії AB, відповідно, на виході Q1 струму не буде, що означає - комірка зберігає біт інформації з нульовим значенням. Якщо заряду на конденсаторі немає, то конденсатор VT2 закритий, а струм піде по лінії AE, відповідно, на виході Q1 струм буде, що означає - комірка зберігає біт інформації зі значенням "одиниця".

Заряд в конденсаторі, що використовується для підтримки транзистора VT2 у відкритому стані, під час проходження по ньому струму, швидко витрачається, тому при читанні даних з комірки необхідно проводити регенерацію заряду конденсатора.

Для роботи динамічної пам'яті на матрицю повинно завжди поступати напруга живлення, на схемі вона позначена, як Uп. За допомогою резисторів R напруга живлення Uп рівномірно подається на усі стовпці матриці.

Також до складу пам'яті входить контролер шини пам'яті, який отримує команди, адреси і дані від зовнішніх пристроїв і ретранслює їх у внутрішні блоки пам'яті.

Рис. 1. – Спрощена структурна схема пристрою динамічної оперативної пам’яті

Команди передаються в блок управління, який організовує роботу інших блоків і періодичну регенерацію комірок пам'яті. Адреса перетворюється в дві складові - адресу рядка і адресу стовпця, і передається у відповідні дешифратори. Дешифратор адреси рядка визначає, з якого рядка треба провести читання або запис, і видає на цей рядок напругу(високий потенціал).

Дешифратор адреси стовпця при читанні даних визначає, які із зчитаних біт потрібні і мають бути видані в шину пам'яті. При запису даних дешифратор визначає, в які стовпці треба подати команди запису.

Блок роботи з даними визначає, які дані, в яку комірку пам'яті потрібно записати, та видає відповідні біти даних для запису в ці комірки.

Блоки регенерації визначають:

• коли відбувається читання даних і треба провести регенерацію комірки, з якої дані були зчитані;

• коли відбувається запис даних, а, отже, регенерацію комірки проводити не треба.

Буфер даних зберігає зчитаний рядок матриці і дозволяє потім вибрати з даного рядка необхідні біти даних.

Розглянемо принцип роботи динамічної пам'яті на прикладі структурної схеми, наведеної на рис.1. Розглядати будемо роботу з першою коміркою (M11). Робота решти комірок пам'яті повністю ідентична.