Методические рекомендации:

1. При подготовке к занятию изучить теоретический материал по теме данного , а также по теме предыдущего занятия.

2. При разработке алгоритмов операций сложения и умножения особое внимание обратить на зависимость структуры алгоритма не только от формы представления и типа машинных кодов, но и от схемных особенностей АЛУ.

3. При разработке микропрограмм добиваться их аккуратной записи в конспект с подробными комментариями и тесной увязкой с операторами алгоритма.

4. При выполнении микропрограмм на модели МПУУ добиться ясного и чёткого понимания характера процесса, протекающего в МПУУ и АЛУ при выполнении каждой микрокоманды.

5. Контроль степени усвоения учебного материала рекомендуется произвести в конце занятия, с учетом работы на занятии.

7.4.Задание для работы на занятии

1. Изучить структуру микропрограммного УУ и принцип его работы.

2. Используя перечень микроопераций и соответствующие алгоритмы, составить микропрограммы сложения и умножения. Оформить микропрограммы в виде таблицы 7.2.

Т а б л и ц а 7.2

Адрес ячейки ПЗУ микропрограмм	Код микрокоманды		Пояснения
	Код МО	Адрес следую- щей МК
0000	0000	0001	Р1 ; Р2 : СМ: = 0
0001	0001	0010	Р1 : = ШД
. . . .	. . . .	. . . .	. . . .

3. Произвести оценку полученных результатов и сделать выводы.

7.5.Задание для работы на самоподготовке:

1. По технологии, отработанной на занятии, составить алгоритм и микропрограмму деления числа на восемь.

2. Сделать выводы относительно системы микрокоманд МПУУ.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие функции выполняет УУ процессора?

2. Какие схемные особенности АЛУ (рис.7.4) должны учитываться при составлении микропрограммы?

3. Пояснить структуру УУ, назначение отдельных блоков.

4. Что такое микрооперация, микрокоманда, микропрограмма?

5. Пояснить сущность принципа микропрограммного управления.

6. Пояснить работу БУК и БМК.

7. Пояснить структуру команды и микрокоманды.

8. Пояснить сущность способов адресации.

9. Что понимается под временем такта и цикла работы процессора?

Литература:

1. Каган Б.М. ЭВМ и системы. стр.204-227.

Пз №8. Разработка модулей памяти на бис

Цель занятия.

1. Закрепление теоретических знаний по теме занятия.

2. Приобрести навыки анализа различных способов наращивания памяти ЭВМ.

3. Совершенствование практических навыков оценки характеристик памяти ЭВМ.

4. Совершенствование практических навыков в построении схем модулей памяти при наращивании емкости и разрядности

8.1. Краткие теоретические сведения о структуре памяти эвм

Памятью МПУ или микроЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. От­дельные устройства, входящие в эту совокупность, называют запоми­нающими устройствами (ЗУ).

Производительность и вычислительные возможности МПУ и мик­роЭВМ в значительной степени определяются составом и характерис­тиками используемых ЗУ. В составе МПУ используется одновременно несколько типов ЗУ, различающихся принципом действия, характе­ристиками и назначением.

Основными операциями в памяти в общем случае являются зане­сение информации в память запись и выборка информации из памя­ти - считывание. Обе эти операции называются обращением к памя­ти. При обращении к памяти производится считывание или запись не­которой единицы данных для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, бант, машинное слово или блок данных.

Классификация запоминающих устройств. По принципу действия ЗУ можно разделить на полупроводниковые, магнитные с неподвиж­ными магнитными запоминающими элементами и магнитомеханические с движущимся магнитным носителем информации.

Пo функциональному назначению ЗУ подразделяют на оперативные и постоянные. Последние, в свою очередь, делятся на ЗУ, в которых информация записывается однократно (либо в процессе изготовления, либо в процессе программирования) и не может быть изменена в про­цессе эксплуатации (ПЗУ), и программируемые ЗУ (ППЗУ), в кото­рых хранимая информация может меняться в процессе эксплуатации.

По способности сохранять или не сохранять содержимое при вклю­чении питания различают энергонезависимые и энергонезависимые ЗУ. Энергонезависимая память сохраняет свое содержимое при отключении питания, а энергозависимая — не сохраняет. Примерами энергонеза­висимой памяти являются ПЗУ, а также ОЗУ на ферритовых сердеч­никах, примером энергозависимой памяти — оперативная память на полупроводниковых микросхемах. Поскольку ферритовая память требует громоздкого электронного обрамления и оказывается сравни­тельно дорогой, в МПУ для хранения информации при выключе­нии питания предусматривается внешняя память или полупровод­никовая память с резервным питанием.

По методам доступа к информации (выборки информации) устрой­ства памяти подразделяют на ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), ассоциативной выборкой (АЗУ) и с последовательной выборкой. В ЗУПВ обеспечивается непосредственный доступ к любой заданной ячейке в любой последовательности как при записи, так и при считы­вании, при этом время обращения не зависит от адреса запоминающей ячейки и является одинаковым для всех ячеек ЗУ. Отметим, что ОЗУ, ПЗУ и ППЗУ относятся к классу ЗУПВ и работают с той же тактовой частотой, что и МПУ. В ЗУ с последовательным доступом для выборки информации по определенному адресу необходимо последовательно просмотреть все ячейки, предшествующие заданной, так что время обращения к информации в таких ЗУ зависит от адреса ячейки. В ас­социативных ЗУ поиск и извлечение информации производятся не по ее адресу, а по некоторому характеристическому признаку самой ин­формации, содержащемуся в запоминающей ячейке.

По принципу хранения информации полупроводниковые ЗУ делят­ся на статические и динамические. В статических ЗУ информация хра­нится в форме устойчивого состояния запоминающего элемента все время, пока поддерживается напряжение питания. В динамических ЗУ информация хранится в форме заряда на запоминающем конденса­торе, и для хранения записанной информации требуется периодичес­кое проведение процесса регенерации, во время которого происходит восстановление исходных логических уровней.

Независимо от типа полупроводникового интегрального ЗУ основ­ными его блоками являются запоминающее поле (накопитель), пред­ставляющее собой матрицу ячеек памяти и выполняющее функцию хранения информации, и периферийные обслуживающие устройства, выполняющие функции выбора (дешифрации) адресов, формирования сигналов записи и считывания, усиления сигналов и т. д. Во всех полупроводниковых ЗУ на кристалле БИС содержатся все перечис­ленные блоки.

Основные характеристики системы памяти. Одной из основных характеристик системы памяти является емкость памяти наиболь­ший объем данных, выраженный в единицах информации, который од­новременно может храниться в ЗУ. Емкость измеряется в битах, ма­шинных словах, но большей частью в байтах.

Удельная емкость есть отношение емкости ЗУ к его физическому объему. Ширина выборки определяется количеством информации в битах, записываемой в ЗУ или извлекаемой из него за одно обращение.

Быстродействие ЗУ характеризуется временем обращения к ЗУ, которое определяется временным интервалом между двумя следующи­ми друг за другом обращениями к ЗУ. Время обращения (длительность цикла обращения) определяет максимальную частоту обращения к ЗУ. В течение цикла можно выбрать информацию (чтение), ввести информацию (запись), обновить или модифицировать состояние неко­торого элемента ЗУ. Не следует смешивать время обращения ЗУ и время выборки — отрезок времени от момента подачи сигнала записи или чтения до завершения соответствующей операции. В зависимости от принципа работы ЗУ время цикла может совпадать со временем вы­борки или несколько превышать его. Так, в статических ЗУ эти вре­мена совпадают, а в динамических помимо времени выборки в длитель­ность цикла считывания входит время, необходимое для подготовки внутренних схем к работе.

Для оценки экономических характеристик ЗУ применяется пока­затель удельной стоимости, определяемый отношением его стоимости к информационной емкости.

Потребляемая энергия очень важна для систем, которые работают от аккумуляторов или солнечных элементов. Основополагающим фак­тором для потребляемой каждым запоминающим элементом энергии является применяемая технология. Наиболее предпочтительной для изготовления ЗУ с минимальным потреблением энергии является КМОП-технология. К сожалению, потребляемая мощность и быстро­действие связаны обратно пропорциональной зависимостью, поэтому, оптимизировать оба эти показателя довольно сложно.

Общая организация памяти. Память МПУ или микроЭВМ подраз­деляют на два класса: 1) область памяти, к которой в процессе функ­ционирования процессор может обращаться за командами и данными непосредственно; 2) область памяти, к которой процессор непосредст­венно обращаться не может. Память первого класса часто называют внутренней (основной), а память второго класса — внешней (массовой). Для того чтобы использовать информацию, хранящуюся во внешней памяти, ее необходимо предварительно передать во внутреннюю па­мять.

К внутренней памяти относится регистровая память МП, ОЗУ и ПЗУ, к внешней памяти — ЗУ с прямым доступом (ЗУ на гибких и жестких магнитных дисках) и с последовательным доступом (ЗУ на перфолентах, магнитных лентах). Иерархическая структура памя­ти МПУ представлена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Иерархическая структура памяти МПУ

Внутренняя память МПУ обычно состоит из одной или нескольких печатных плат, которые подключены к системной шине. На каждой плате находится модуль памяти (ПЗУ или ОЗУ), адресуемый старши­ми битами шины адреса. Отметим, что, как показано на рис.8.2, в большинстве МПУ и микроЭВМ имеются модули ПЗУ и ОЗУ, однако в малых МПУ типа контроллеров могут быть только модули ПЗУ, а оперативная память находится на одной и той же печатной плате (и даже в одной и той же микросхеме), что и процессор.

Модуль 2

Модуль n

Модули ПЗУ

Модули ОЗУ

Модуль 1

Модуль k

Рис. 8.2. Конструктивное разбиение внутренней памяти МПУ

Структурная схема модуля памяти представлена на рис. 8.3. В состав модуля входят интерфейс и набор микросхем памяти, каждая из которых содержит массив запоминающих элементов.

Синрониз.

Данные

Считывание из памяти

Запись

в память

Дешифратор

адреса

Выбор модуля

Адрес слова

в памяти

Данные

Управление

Адрес

Интерфейс памяти

Массив микросхем памяти

Готовность

Микросхемы памяти, содержащие матрицу запоминающих элементов

Рис.8.3. Структурная схема модуля памяти

Организация интегральных ОЗУ. Все используемые в микропро­цессорных системах устройства оперативной памяти представляют со­бой ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), создаваемые на основе полупроводниковых БИС. Каждый кристалл БИС ЗУПВ содержит накопитель (матрицу запоминающих ячеек), дешифраторы адреса строк и столбцов, адресные формирователи, усилители считывания, блок управления и другие схемы, необходимые для нормального функцио­нирования и управления ЗУ (рис. 8.3). Внутренняя организация БИС ЗУПВ обеспечивает реализацию законченных систем оперативной па­мяти МПУ непосредственно из таких БИС или с минимальным исполь­зованием других вспомогательных микросхем. Существует значитель­ное количество технологических, схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих создать широкую номенклатуру БИС ЗУПВ, различающихся способом хранения информации, информационной емкостью, потребляемой мощностью и т. п.

Для дешифрации адреса в БИС ЗУПВ, организованной в виде N М-разрядных слов (М = 1,4, 8), или в виде матрицы N Х М, тре­буется r адресных входов, где r = [log₂N].

Необходимая длина слова памяти достигается параллельным включением m БИС памяти. Так, в 8-разрядном МПУ для построения памяти N * 8 при использовании БИС с организацией N * 1 нужно включить параллельно восемь БИС памяти (т. е. т = 8). В этом случае совокупность восьми одноразрядных линий данных всех вось­ми БИС ЗУ образует 8-разрядную шину данных систем памяти. Линии адреса и чтения—записи всех БИС включаются параллельно для одновременного обращения ко всем БИС ЗУ.

В связи с ограничением количества внешних выводов корпуса БИС в ЗУПВ с информационной емкостью 16 Кбит и выше используется мультиплексирование адресных каналов.

Организация интегральных ПЗУ. Полупроводниковые ПЗУ явля­ются энергонезависимыми приборами с произвольной выборкой ин­формации. Так же как и в БИС оперативной памяти, на кристалле БИС ПЗУ содержатся накопитель и периферийные обслуживающие схемы, необходимые для вывода информации.

Практически все промышленные типы БИС ПЗУ имеют байтовую (8-разрядную) или полубайтовую (4-разрядную) организацию, причем наиболее экономичной и удобной является 8-разрядная организа­ция.

Различают следующие виды ПЗУ: программируемые маской на предприятии-изготовителе и программируемые пользователем на спе­циальных установках.

Масочные БИС ПЗУ используются при серийном выпуске отла­женных МПУ н микроЭВМ для хранения информации, не зависящей от конкретных приложений (системного программного обеспечения, тестовых программ, микропрограмм и др.). Программирование таких ПЗУ осуществляется на основе спе­циальных фотошаблонов (масок), с помощью которых информация заносится на кристалл в ПЗУ в процессе его производства. Этот способ про­граммирования является самым дешевым и предназначен для крупносе­рийного производства ПЗУ.

Среди разнообразных типов ПЗУ, программируемых пользователем, наи­большее распространение получили ПЗУ с плавкими перемычками, с ультрафиолетовым стиранием, с элек­трическим стиранием и записью ин­формации.

Во всех типах ПЗУ на кристалле микросхемы размещается двумерная матрица запоминающих элементов, каждый из которых располагается на пересечении словарных линий, идущих от дешифратора, и разрядных линий, перпендикулярных словарным и подсоединенных к мультиплексорам.

В ПЗУ с плавкими перемычками запоминающим элементом является транзистор типа п-р-п, база которого подсоеди­нена к словарной линии, коллектор - к источнику положительного напряжения, а эмиттер через плавкую перемычку к разрядной ли­нии. В качестве плавкой перемычки используется поликристалличес­кий кремний или нихром, напыленные в процессе изготовления микро­схемы. Процесс программирования протекает таким образом. На ад­ресные входы подается адрес выбранной ячейки. Напряжение пита­ния микросхемы повышается до значении, необходимого для создания тока, достаточного для выплавления перемычки (обычно импульс тока 50... 100 мкА длительностью 2 мс). Далее указываются разряды слова, в которых будут выплавляться перемычки. Процесс програм­мирования обеспечивается программирующим устройством, которое параллельно производит контроль правильности программирования. Очевидно, микросхемы ПЗУ данного типа допускают только однократ­ную запись ячейки ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (УФ-стиранием) и с электри­ческим стиранием являются программируемыми ПЗУ (ППЗУ), по­скольку после стирания хранимой в ПЗУ информации возможно зане­сение в накопитель новых данных.

Микросхемы ПЗУ с УФ - стиранием характеризуются возмож­ностью многократного программирования, достаточно малым време­нем выборки и энергопотреблением, большой емкостью. Все это делает их предпочтительными для применения в качестве памяти МПУ и микроЭВМ с сохранением информации после отключения питания.

Запоминающим элементом в ПЗУ с УФ-стиранием является МОП-транзистор, расположенный на пересечении соответствующих сло­варной и разрядной линий. Затвор этого транзистора подключен к словарной линии, сток — к источнику положительного напряжения, а исток — к разрядной линии. Информация о содержимом данной ячейки хранится в виде заряда на втором, полностью изолированном (плавающем) затворе МОП-транзистора. Плавающим затвор называ­ется потому, что он размещен между управляющим затвором транзис­тора и его каналом и окружен высокоомным диэлектриком. Такое по­ложение затвора позволяет формировать вольтамперную характерис­тику транзистора, изменяя напряжение отпирания. При вводе в пла­вающий затвор отрицательного заряда будет формироваться смещен­ная характеристика транзистора. При программировании в результате поступления программирующего импульса на затвор транзистора по­следний включается, что приводит к появлению на разрядной шине низкого потенциала. Транзистор, который не программировался, будет иметь нулевой заряд и останется выключенным, что приведет к появле­нию на разрядной шине высокого потенциала.

При необходимости в программировании микросхемы предвари­тельно записанную информацию стирают ультрафиолетовым излуче­нием через прозрачное кварцевое окошко на поверхности корпуса мик­росхемы. УФ-излучение, попадая на плавающий затвор и выбивая из него фотоэлектроны, разряжает плавающий затвор МОП-транзис­тора. Время сохранения информации в ПЗУ данного вида составляет 10 лет и более.

В ПЗУ с электрическим стиранием основу запоми­нающей ячейки составляет МОП-транзистор с плавающим затвором, такой же, как и в ПЗУ с УФ-стиранием. Но в микросхемах данного типа технологическими методами обеспечена возможность отбора элект­ронов с плавающего затвора, что позволяет выборочно стирать зане­сенную информацию. В таких ПЗУ допустимое число циклов переза­писи информации составляет 10000 и более.

Следует отметить, что при создании микропроцессорных устройств и систем емкости основных ЗУ может оказаться недостаточно и расши­рение памяти проводится за счет внешней памяти. В настоящее время наиболее распространенными устройствами внешней памяти являют­ся гибкие и жесткие магнитные диски, кассетные магнитофоны и нако­пители на перфолентах. Перспективными внешними ЗУ являются дешевые гибкие магнитные диски, высокоскоростные жесткие диски боль­шой емкости (20... 80 Мбайт) и оптические диски, созданные на базе мощных высокочастотных диодных лазеров. По прогнозам специалис­тов, двусторонний оптический диск диаметром 5,25 дюйма легко смо­жет хранить 1 Г байт информации.