Глава 3 . Подсистема памяти микропроцессорных систем .
Память ЭВМ - функциональная часть ЭВМ , используемая для хранения данных , запоминания результатов операций команд , сохранения информации о состоянии процессора и т.п. В микроЭВМ применяется исключительно полупроводниковая память (здесь речь не идет о внешних запоминающих устройствах) , стоимость которой составляет значительную часть всей стоимости микроЭВМ.
Запоминающие устройства (ЗУ) - комплекс технических средств , предназначенный для приема , хранения и выдачи информации , представленной двоичным словом.
Запоминающие элементы (ЗЭ) , или элементы памяти , -простейшие схемы или физические среды , предназначенные для приема , хранения и выдачи одного бита информации.
Характеристики ЗУ :
емкость (информационная емкость) - колличество битов (байтов , слов , и т.п.) , вмещаемое памятью :
1К=210=1024, 1М=220=1048676,1Г=230=1073741824;
стоимость одного бита , определяемая как отношение стоимости памяти к ее емкости ;
возможность изменения информации , зависящая от типа памяти ;
оперативное ЗУ (ОЗУ) - память с произвольным доступом к словам , хранимымв ЗЭ с “легко” изменяемыми состояниями ;
постоянное ЗУ (ПЗУ;ППЗУ - программируемое ПЗУ) - память с произвольным доступом к словам , хранимым в ЗЭ с единожды (при изготовлении или перед установкой в ЭВМ) определенным состоянием.
СППЗУ , ЭСППЗУ - стираемое , электрически стираемое (ЭИПЗУ - электрически изменяемое) программируемое ПЗУ - разновидности ППЗУ. Их содержимое (СППЗУ) можно стереть в специальной установке , а затем вновь заполнить информацией. ЭСППЗУ можно стирать (записывать) на той же плате - без удаления из микроЭВМ ;
способ выборки информации. Два основных типа ЗУ : с произвольной и последовательной выборкой. В первых т.н. время доступа к данному слову не зависит от месторасположения этого слова в памяти , а во вторых - зависит ;
сохранение информации при отключении питания. В некоторых видах ЗУ , например , полупроводниковых ОЗУ , происходит потеря информации даже при кратковременных прерываниях питания. Это - энергозависимые ЗУ. В энергонезависимых ЗУ информация при отключении питания сохраняется. Таковы все ПЗУ и ППЗУ ;
временные соотношения.
Иллюстрирующие эти соотношения временные диаграммы приведены на рис.3.1.
Время доступа - интервал от момента выставления процессором на адресной магистрали адреса требуемой ячейки памяти и посылки по МУ сигнала “ЧТ” или , соответственно , “ЗП” до момента осуществления связи этой ячейки с МД.
Время восстановления - время , необходимое для приведения памяти в исходное состояние после снятия процессором с магистралей адреса , и (или) данных , и (или) сигнала ЧТ/ЗП.
Цикл считывания - цикл записи - время с момента выдачи процессором адреса нужной ячейки памяти (и сигнала “ЧТ” или “ЗП” - они могут выдаваться позже) до момента окончания действий , связанных с выполняемой операцией ЧТ/ЗП , когда память будет готова реализовать следующую операцию. Если длительность цикла считывания равна длительности цикла записи , то иногда используют обобщающий термин - цикл памяти.
Время записи - интервал времени , необходимый для переписи содержимого магистрали данных в связанную с ней ячейку памяти. Минимальная величина этого интервала определяется физическими свойствами элементов памяти. Спецсхема в памяти вырабатывает импульс записи (см.рис.3.1.) нужной длительности . Этот импульс выдается в конце интервала времени доступа. После окончания импульса записи память сообщает процессору о выполнении операций “ЗП” посылкой сигнала “Готово”.
Рис.3.1. Временные соотношения работы с памятью
Структура ЗУ с произвольным доступом
Существуют две основные организации ЗЭ внутри БИС памяти и самих БИС в памяти ЭВМ - одномерая (словарная , линейная , однокоординатная) и двумерная (матричная).
Одномерная организация . Пусть кристалл БИС содержит 256 8-битовых слов (256x8=2048=2К. Такая емкость может быть организована также в ввиде 2К однобитовых слов 2Кx1 , или 512x4-битовых слов). Такой кристалл с одномерной организацией имеет 28=256 строк по восемь элементов в каждой (рис.3.2.)
Рис.3.2. ЗУ 256x8 с одномерной организацией
При поступлении на входы кристалла адреса ячейки на одном из 256 выходов ДШ появляется сигнал , выбирающий строку из восьми ЗЭ. В зависимости от содержимого ЗЭ на его линии считывания появляются 0 или 1 , которые через усилитель считывания попадают на соответствующий выход (Д0,...,Д7).
При значительном объеме ЗУ (большое число адресов) резко возрастает число выходов ДШ. Это усложняет производство таких “одномерных” БИС ЗУ.
Двумерная организация . Для уменьшения числа выходов ДШ используют двумерную организацию. На рис.3.3. приведен простой пример двумерной организации того же БИС 256x8 - в виде восьми двумерноадресуемых ЗУ 256x1.
Рис. 3.3. ЗУ с двумерной организацией
Рис. 3.4. ЗУ 256х8 с двумерной организацией и матрицей 32х64
На практике при организации БИС ПЗУ для хранения многобитовых слов ЗЭ стараются размещать в матрицы с примерно равным (обычно с точностью до множителя 2) числом строк и столбцов. Поэтому на деле ПЗУ 256х8 имеет матрицу с 25=32 строками и 26=64 строками, 25х26=211=2 К (рис. 3.4).
При проектировании памяти микроЭВМ на БИС не удается, как правило, подобрать такую серийную БИС, которая содержала бы нужное число слов нужной разрядности. Сейчас промышленность выпускает около 10 различных по емкости БИС ОЗУ с 1-битовыми и, реже, 4-битовыми словами, и несколько больше различных по емкости БИС ПЗУ (ППЗУ, СППЗУ) с 4-битовыми и 8-битовыми словами. Поэтому память обычно составляют из нескольких однотипных БИС. Получение памяти со словами большей разрядности, чем разрядность слов БИС, не вызывает трудностей.
При создании памяти из множества БИС конкретный корпус выбирается с помощью внешнего дешифратора путем подачи разрешающего потенциала с выхода дешифратора ДШ на вход СЕ требуемого корпуса БИС (рис. 3.5). Входы этого внешнего ДШ подключаются к соответствующим (старшим) шинам МА. Входы/выходы внутри корпусов БИС отделены тристабильными вентилями от ЗЭ; вентили управляются сигналом СЕ. Это позволяет напрямую соединять адресные шины, входы/выходы и т.п. большого числа БИС без значительного повышения нагрузки.
Рис. 3.5. Примеры организации БИС RAM одной и той же емкости
БИС ОЗУ имеет также вход для установки ее в режим записи/чтения: R/W (ЗП/ЧТ). Входы для ввода и вывода данных могут быть раздельными или совмещенными (см. рис. 3.5).
Наибольшее распространение получили БИС ОЗУ с 1-битовыми словами. Они имеют в сравнении с БИС ОЗУ более простую внутреннюю организацию и меньше габариты. Пример сравнения - в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Сравнение однобитовых и многобитовых БИС ОЗУ одной емкости.
БИС ОЗУ |
64 К×1 |
8 К×8 |
Число шин МА |
16 : 116 = 64 К |
13 : 210×23 = 8 К |
Число шин МД |
1 вх., 1 вых. или 1 вх./вых. |
8 вх., 8 вых. или 8 вх./вых. |
Итого |
17 - 18 |
21 - 29 |
БИС ПЗУ программируются при изготовлении и не имеют линии ЗП/ЧТ. БИС ППЗУ (СППЗУ) программируются по линиям вход/выход при наличии сигнала “ЗП” и изображаются так же, как БИС ОЗУ с многобитовыми словами (см. рис. 3.5).
Для упрощения на рисунке 3.6 не показаны линии входов МД в БИС памяти, и выходы Д0...Д7 не соединены с блоком приемопередатчика. Также опущена линия ЗП/ЧТ, выходящая из блока управления и синхронизации. Адресные входы всех 32 корпусов БИС соединены соответственно друг с другом. Они отвечают шинам А0...А11 МА. 12-ю разрядами адресуются 4 К бит.
Объединены также все входы ЗП/ЧТ микросхем.