ЗУ- запоминающие устройство;

ОЗУ- оперативное запоминающие устройство;

ПЗУ – постояннoе запоминающие устройство;

ЗУПВ - ЗУ с произвольной выборкой ;

ППЗУ — программируемые ПЗУ;

РПЗУ-УФ – репрограммируются ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием;

ОП –оперативная память;

ЭП - элемент памяти;

ЯП - ячейкой памяти;

ЛЗП - линии записи ;

ЛЗС - линию записи-считывания;

ЛСЧ - линии считывания;

ПЛМ - программируемые логические матрицы;

МНОП - металл-нитрид-оксид-полупроводник

ПЛМ - программируемые логические матрицы;

ПЗ - затвор плавающий

ЛВ - линию выборки;

УРЕГ -усилителя-регенератора;

УСЧ – усилитель считывания;

ПДГ –подготовки;

MA - магистрали адреса;

Память компьютеров

1. Общая характеристика памяти

1. Функция памяти

Памятью компьютера называется совокупность различных устройств, предназначенных для приема, хранения и выдачи двоичной информации. Отдельное устройство называется запоминающим (ЗУ) или просто памятью. Термин “запоминающее устройство” употребляют тогда, когда требуется подчеркнуть принцип его построения: на магнитных сердечниках, полупроводниках и т.д. Термин “память” применяют, когда указывают на выполняемую функцию: основная, постоянная и т.п.

Память компьютера функционирует под управлением операционной системы, которая размещает массивы информации в памяти, обеспечивает их защиту от несанкционированного доступа и выполняет другие функции. Производительность и вычислительные возможности компьютера в значительной мере определяются составом и характеристиками используемых ЗУ.

Память современных компьютеров классифицируют по функциональному назначению, виду носителя информации, способу организации доступа к информации. По функциональному назначению память компьютеров подразделяется на две основные группы: внешнюю и внутреннюю.

Внешние ЗУ предназначены для длительного хранения больших массивов информации с емкостью до гигабайта и более и малым быстродействием. Внешняя память включает в себя накопители на магнитных лентах, дисках, барабанах и оптических дисках.

Внутренние ЗУ предназначены для хранения программ и данных, обрабатываемых в текущий момент времени. К внутренней памяти относятся:

• сверхоперативные (регистровые) ЗУ, которые используют регистры общего назначения процессора; они обладают небольшой информационной емкостью и быстродействием работы процессора;

• кэш-память, которая служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Высокое быстродействие кэш-памяти повышает производительность компьютера;

• оперативные, которые характеризуются высоким быстродействием и информационной емкостью до сотен мегабайт; оперативная память компьютеров первых поколений строилась на магнитных сердечниках. В настоящее время ОП реализуется на полупроводниковых БИС ЗУ. В процессе работы информация из внешней памяти при необходимости переписывается в оперативное ЗУ (ОЗУ);

• постоянные, которые строятся на полупроводниковых БИС. В постоянную память информация записывается заранее и ее можно только считывать. Оперативные и постоянные ЗУ образуют основную память компьютера;

• специализированные виды памяти — многопортовые, ассоциативные, видеопамять и др.

По физическому принципу построения память компьютера бывает:

• магнитная (на сердечниках и пленках, на цилиндрических и плоских магнитных доменах);

• ультразвуковая (магнитострикционная, электрострикционная);

• сегнетоэлекгрическая и голографическая (лазерная), на основе сверхпроводимости;

• полупроводниковая на БИС и СБИС, ультра-БИС.

Полупроводниковые БИС ЗУ в свою очередь характеризуются:

• технологией изготовления: на биполярных транзисторах (ТТЛШ, ЭСЛ, И²Л), на МОП-структурах (р-МОП, n-МОП, КМОП); среди новейших разработок следует отметить ЗУ, в которых используются ПТШ на основе арсенида галлия;

• способом хранения информации — статические и динамические (в статических ЗУ элементом памяти является триггер, а в динамических элемент памяти строят на конденсаторе и МОП-транзисторах);

• энергозависимостью: различают энергозависимые БИС ЗУ, в которых при отключении источника питания хранимая информация разрушается (что справедливо в настоящее время для большинства полупроводниковых микросхем памяти), и энергонезависимые (обычно на сегнетоэлектриках), в которых информация сохраняется;

• структурной организацией БИС ЗУ, символически представляемой в виде Nxm, где N— количество хранимых адресуемых единиц информации; т — разрядность (организацию в виде Nx1 называют одноразрядной, а Nxm — словарной, при этом т > 1).

Элементный базис памяти современных компьютеров составляют микросхемы различной степени интеграции. Основой любого ЗУ является элемент памяти (ЭП) статического или динамического типа, предназначенный для записи, хранения и считывания одного бита информации — цифры 0 или 1. Совокупность ЭП, которые образуют и-разрядное слово, называют ячейкой памяти (ЯП). Множество ЯП образует запоминающий массив, называемый матрицей М элементов памяти.

1.2. Основные параметры памяти

Основными операциями в памяти являются запись и считывание определенной единицы информации, например, байта. Эти операции называются также обращением к памяти. Память характеризуется информационной емкостью, физическим объемом, удельной емкостью и стоимостью, шириной выборки, потребляемой мощностью и быстродействием.

Информационная емкость Е представляет собой максимальный объем данных, который может одновременно храниться в памяти. Емкость выражается в битах, байтах (8 бит = 1 байт), килобайтах (2¹⁰ байт = 1 Кбайт), мегабайтах (2¹⁰ Кбайт = 1 Мбайт) и гигабайтах (2¹⁰ Мбайт = 1 Гбайт) (при этом следует учитывать, что 2¹⁰ = 1024).

Удельная емкость определяется отношением информационной емкости ЗУ к его физическому объему. Удельная стоимость — это отношение стоимости ЗУ к его информационной емкости. Ширина выборки представляется числом разрядов, которые записываются в ЗУ или считываются из него за одно обращение.

Потребляемую мощность задают либо для всего ЗУ, либо на хранение одного бита информации. Основными требованиями к памяти являются максимально большая информационная емкость, высокое быстродействие (малое время обращения- t_обр< 10 нс), минимальная потребляемая мощность (менее 1 мкВт на 1 бит хранимой информации).

В настоящее время ни один вид ЗУ не удовлетворяет этим требованиям в полной мере. Поэтому в памяти используются различные виды ЗУ, которые отличаются принципами построения и своими характеристиками.

Быстродействие ЗУ измеряется временем записи и считывания, а также продолжительностью соответствующих им циклов.

Время записи t_WR — это интервал между моментами появления управляющего сигнала записи и установкой ЯП в состояние, задаваемое входными сигналами.

Время считывания — это интервал между моментами появления управляющего сигнала чтения t_RD и данных на выходе памяти. Минимально допустимый интервал между последовательными чтениями t_CYR и записями t_CYW образует соответствующий цикл. Длительность циклов может превышать время чтения или записи, поскольку после этих операций необходима дополнительная задержка для установки исходного состояния памяти. В качестве длительности цикла обращения к памяти берут величину t_CY = max (t_CYW , t_CYR )

1.3. Входные и выходные сигналы микросхемы памяти

Микросхемы ОП имеют типовые выводы, на которых действуют определенные адресные, информационные и управляющие сигналы (рис. 1, а).

Назначение выводов и сигналов:

• А (Address) — входы адреса, разрядность которого k определяется соотношением k = log₂N, где N = 2^k — максимально возможное число данных (бит, байт, слов), которые хранятся в памяти и адресуются как единое целое;

• DI (Data Input) — шина входных данных;

• DO (Data Out) — шина выходных данных;

• / R (Write/Read) — сигнал записи данных при / R = 0 или считывания при / R = 1;

• (Chip Select) или (Chip Enable) — сигнал разрешения при ( ) = 0 или запрета, если ( ) = 1, работы данной микросхемы.

Рис. 1. Микросхемы ОП:

а, б — условные графические обозначения;

в — временные диаграммы сигналов

Особенностью работы динамических ЗУ является мультиплексирование ША (рис. 1, б). Адрес, например, A=A₁₅, А₁₄, …., A₀ делится на старший полуадрес А_x=A₁₅, А₁₄,..., A₈ и младший А_y=А₇,А₆,… А₀. Полуадреса подаются на одни и те же входы адреса микросхемы памяти. Подача полуадреса А_x, сопровождается сигналом (Row Address Strobe), а полуадреса А_y — сигналом (Column Address Strobe). Такой способ адресации уменьшает число выводов корпуса ИМС. Часто выводы DI и DO объединяются в общий вывод DIO.

1.4 Временные характеристики микросхем памяти

Требования ко взаимному временному положению двух сигналов (А-В) задают следующими параметрами:

• временем предварительной установки t_SU(A-B) сигнала А относительно сигнала В, то есть интервалом между начальными моментами обоих сигналов;

• временем удержания t_H(A-B) — интервалом времени между началом сигнала А и окончанием сигнала В;

• временем хранения t_V(A-B) — интервалом между окончанием сигналов А и В.

Длительность сигналов обозначается как t_w (Width — ширина).

Для ЗУ характерна следующая последовательность сигналов во времени (рис. 1, в): вначале адрес, затем выбор микросхемы , затем строб записи - чтения / R. Индексом A (Access) обозначают интервалы времени от появления управляющего сигнала до появления данных на выходе (рис. 1, в).

1.5 Способы доступа к данным в полупроводниковой памяти

В полупроводниковых ЗУ выделяют адресные, последовательные и ассоциативные способы доступа к данным (рис. 2).

При адресном доступе адресный код указывает номер ячейки памяти, с которой должен производиться обмен. Все ячейки в момент обращения равнодоступны. К адресным ЗУ относят:

• RAM (Random Access Memory), русские синонимы: ОЗУ (оперативное ЗУ) или ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой);

• ROM (Read Only Memory), русский термин — ПЗУ (постоянные ЗУ).

Рис. 2. Классификация полупроводниковых ЗУ

Оперативные ЗУ хранят данные, необходимые при выполнении текущей программы; они могут быть изменены в любой момент времени. Оперативные ЗУ по большей части энергозависимые. В постоянных ЗУ содержимое ячеек или вообще не изменяется, или изменяется редко в специальных режимах.

Запоминающие устройства RAM подразделяются на статические SRAM (Static RAM) и динамические DRAM (Dynamic RAM). В статических RAM элементами памяти являются триггеры. Они хранят свое состояние, пока схема имеет напряжение питания и новые данные не записываются. В динамических RAM данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, создаваемых компонентами МОП-транзисторов. Саморазряд конденсаторов приводит к разрушению данных, поэтому они периодически (каждые 2-30 мс) должны регенерироваться. Однако плотность упаковки динамических ЭП превышает в 4-5 раз этот же показатель для статических RAM. Регенерация данных осуществляется с помощью специальных контроллеров. Разработаны также DRAM с внутренними схемами регенерации; такие ЗУ называются квазистати- ческими.

Статические ОЗУ разделяют на следующие типы:

• асинхронные — управляющие сигналы можно задавать как импульсами, так и уровнями;

• тактируемые — в них некоторые сигналы должны быть обязательно импульсами, например, сигнал разрешения работы ;

• синхронные, в которых организован конвейерный канал передачи данных, синхронизируемый от тактовой системы процессора.

Динамические ЗУ характеризуются самой большой информационной емкостью и невысокой стоимостью, поэтому они используются как основная память компьютеров. Разработаны варианты схем DRAM высокого быстродействия, которые представлены в классификации и детально рассмотрены в п. 7. Статические ЗУ в 4-5 раз дороже динамических и приблизительно в столько же раз меньше их информационная емкость. Их достоинством является высокое быстродействие, а типовой областью применения — схемы кэш-памяти.

Постоянная память типа ROM(M) программируется при изготовлении с помощью масок, поэтому ее называют ПЗУ масочным. В последующих разновидностях ROM в обозначениях имеется буква Р (от Programmable). Это — память, которая одноразово программируется пользователем — PROM (в русской терминологии ППЗУ — программируемые ПЗУ) и многократно программируется — EPROM, EEPROM (подробности см. в п. 3).

Память типа Flash по ЭП подобна EEPROM (иначе E²PROM), однако имеет структурные и технологические особенности, которые позволяют выделить ее в отдельный тип.

В ЗУ с последовательным доступом записываемые данные, образуют очередь. Считывание выполняется слово за словом в порядке записей или наоборот. Прямой порядок считывания используется в буферах FIFO с дисциплиной "первый пришел — первый вышел (First In — First Out)", а также в файловых и циклических ЗУ.

Разница между памятью FIFO и файловым ЗУ состоит в том, что в FIFO запись в пустой буфер сразу доступна для чтения (то есть, поступает в конец цепочки модели ЗУ). В файловых ЗУ данные поступают в начало цепочки и появляются на выходе после некоторого числа обращений, равного числу элементов в цепочке.

В циклических ЗУ слова доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым емкостью памяти. К ним относится видеопамять (VRAM).

Считывание в обратном порядке свойственно стековым ЗУ с дисциплиной “последний пришел — первым вышел”. Такие ЗУ называются буферами LIFO (Last In — First Out).

Время доступа к конкретной единице информации, хранимой в последовательных ЗУ, является случайной величиной. В наихудшем случае для такого доступа требуется просмотреть весь объем информации, хранимой в этой памяти.

Ассоциативный доступ реализует поиск информации по некоторому признаку, а не по адресу. В наиболее полной версии все слова, хранимые в памяти, могут одновременно проверяться на соответствие признаку, например, на совпадение определенных полей слов — тегов (от tag) по признаку, который задает входное слово (теговый адрес). На выход передаются слова, которые удовлетворяют признаку. Дисциплина выдачи слов, если тегу удовлетворяет несколько слов, и дисциплина записи новых данных могут быть различными. Основная область применения ассоциативной памяти в компьютерах— кэширование данных.