2.3. Способы организации накопителей

Как мы уже отметили всякое ОЗУ состоит из двух основных частей: накопителя и схемы управления или, как говорят, периферии. Периферия предназначена для ввода и вывода данных, в нее входят дешифраторы, усилители, регистры, разного рода ключи, коммутаторы и другие схемы общего назначения.

Накопитель (запоминающий массив (ЗМ)) – основная часть ОЗУ, где хранятся данные (двоичные коды, количество разрядов в котором определяется шириной выборки памяти (в частности, это может быть одно, половина или несколько машинных слов)). Отдельные ячейки могут хранить один бит информации (0 или 1)).

Многочисленные варианты ЗУ имеют много общего с точки зрения структурных схем, что делает рациональным изучение некоторых обобщенных структур с последующим описанием особенностей и ЗЭ для конкретных ЗУ.

Общность структур адресных ЗУ особенно проявляется для статических ОЗУ и памяти типа ROM. Для статических ОЗУ и памяти типа ROM характерны структуры 2D, 3D, 2DM и блочные структуры на их основе.

(Слайд)

2.3.1. Словарная организация

При работе накопителя данной организации (рисунок 25.4 а) активный сигнал приходит только на одну адресную линию. При этом происходит доступ ко всем ЗЭ выбранной строки. Иными словами, все двоичное число записывается или считывается одновременно.

а) – словарная; б) – матричная

Рисунок 25.4 – Организация накопителей ЗУ

(Слайд) Структура 2D. В структуре 2D (рисунок 25.5) ЗЭ организованы в прямоугольную матрицу размерностью , где М – информационная емкость памяти в битах; k – число хранимых слов; m – их разрядность.

Рисунок 25.5 – Структура ЗУ типа 2D

Дешифратор адресного кода DC при наличии разрешающего сигнала CS (Chip Select) активизирует одну из выходных линий, разрешая одновременный доступ ко всем элементам выбранной строки, хранящей слово, адрес которого соответствует номеру строки. Элементы столбца соединены вертикальной линией – внутренней линией данных (разрядной линией, линией записи/считывания). Элементы столбца хранят одноименные биты всех слов. Направление обмена определяется усилителями чтения/записи под воздействием сигнала R/W (Read – чтение, Write – запись).

Структура типа 2D применяется лишь в ЗУ малой информационной емкости, т. к. при росте емкости проявляется несколько ее недостатков, наиболее очевидным из которых является чрезмерное усложнение дешифратора адреса (число выходов дешифратора равно числу хранимых слов).

(Слайд)

2.3.2. Матричная организация

Микросхемы статических ОЗУ имеют, как правило, матричную структуру с двухкоординатной системой адресации (выборки), которая обеспечивают возможность доступа к каждому элементу памяти.

В данном типе накопителя (см. рисунок 25.4 б) выбор ЗЭ происходит по двум адресным линиям. Одна линия условно называется линией выбора строки, а другая – линией выбора столбца. Активным становится тот ЗЭ в накопителе, у которого активны обе адресные линии. Для работы с многоразрядными числами создаётся трехмерная матрица, на которую приходят те же линии адреса строки и столбца, но и свои собственные разрядные линии. Для данного типа накопителя может быть использован ЗЭ на биполярных многоэмиттерных транзисторах: один эмиттер соединяется с разрядной линией, а два остальных – к адресным линиям строки и столбца.

На рисунке 25.6 показана типичная матричная организация ОЗУ, где отдельный элемент памяти ЭП расположен в узлах решетки, образованной адресными шинами X и У. Количество ячеек равно произведению количества горизонтальных шин на количество вертикальных (например, 4 4 = 16 ячеек). Каждый ЭП связан с одной горизонтальной и одной вертикальной шинами. Поэтому, если подаются напряжения на определенные горизонтальную и вертикальную шины (например, Х₁ и У₂), то к периферии подключается вполне определенный ЭП (в нашем примере заштрихованный ЭП₁₂). В этот элемент (со своим адресом Х_1, У₂) молено записать необходимый бит информации (0 или 1), либо считать информацию (в элемент памяти записана 1).

И запись, и считывание осуществляются с помощью разрядных шин , которые подключены ко всем ЭП; шины подключены к прямым выходам, – к инверсным. При считывании входы записи отключаются и уровни, характеризующие состояние ЭП, поступают через усилители в соответствующие внешние узлы. Коммутирующие устройства, которые подключают (или отключают) разрядные шины к управляющим устройствам, показаны на рисунке 25.6 треугольниками на входах и выходах разрядных шин.

(Слайд)

Рисунок 25.6 – Матричная организация ОЗУ

(Слайд) Структура 3D. Структура 3D позволяет резко упростить дешифраторы адреса с помощью двухкоординатной выборки ЗЭ. Принцип двухкоординатной выборки поясняется на примере ЗУ типа ROM (рисунок 25.7), реализующего только операции чтения данных.

Рисунок 25.7 – Структура ЗУ типа 3D с одноразрядной организацией

Здесь код адреса разрядностью делится на две половины, каждая из которых декодируется отдельно. Выбирается ЗЭ, находящийся на пересечении активных линий выходов обоих дешифраторов. Таких пересечений будет как раз

Суммарное число выходов обоих дешифраторов составляет

что гораздо меньше, чем при реальных значениях .

Уже для ЗУ небольшой емкости видна эта существенная разница: для структуры 2D при хранении 1К слов потребовался бы дешифратор с 1024 выходами, тогда как для структуры типа 3D нужны два дешифратора с 32 выходами каждый. Недостатком структуры 3D в первую очередь является усложнение элементов памяти, имеющих двухкоординатную выборку.

Структура типа 3D, показанная на рисунке 25.7  для ЗУ с одноразрядной организацией, может применяться и в ЗУ с многоразрядной организацией (рисунок 25.8), приобретая при этом "трехмерный" характер. В этом случае несколько матриц управляются от двух дешифраторов, относительно которых они включены параллельно. Каждая матрица выдает один бит адресованного слова, а число матриц равно разрядности хранимых слов

(Слайд)

Рисунок 25.8 – Структура ЗУ типа 3D с многоразрядной организацией

Структуры типа 3D имеют также довольно ограниченное применение, поскольку в структурах типа 2DM сочетаются достоинства обеих рассмотренных структур — упрощается дешифрация адреса и не требуются запоминающие элементы с двухкоординатной выборкой.