Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем

2 2 6 Глава 5. Память

Основным режимом работы ПЗУ является считывание информации, которое мало отличается от аналогичной операции в ОЗУ как по организации, так и по длительности. Именно это обстоятельство подчеркивает общепризнанное назва­ ние постоянных ЗУ - ROM (Read-Only Memory - память только для чтения).

Вто же время запись в ПЗУ по сравнению с чтением обычно сложнее и связана

сбольшими затратами времени и энергии. Занесение информации в ПЗУ называ­ ют программированием или «прошивкой». Последнее название напоминает о том, что первые ПЗУ выполнялись на базе магнитных сердечников, а данные в них за­ носились путем прошивки соответствующих сердечников проводниками считы­ вания. Современные ПЗУ реализуются в виде полупроводниковых микросхем, которые по возможностям и способу программирования разделяют на:

•программируемые при изготовлении;

•однократно программируемые после изготовления;

•многократно программируемые.

ПЗУ, программируемые при изготовлении

Эту группу образуют так называемые масочные устройства и именно к ним при­ нято применять аббревиатуру ПЗУ. В литературе более распространено обозначе­ ние различных вариантов постоянных ЗУ сокращениями от английских названий, поэтому в дальнейшем будем также использовать аналогичную систему. Для ма­ сочных ПЗУ таким обозначением является ROM, совпадающее с общим названием всех типов ПЗУ. Иногда такие микросхемы именуют MROM (Mask Programmable ROM — ПЗУ, программируемые с помощью маски).

Занесение информации в масочные ПЗУ составляет часть производственного процесса и заключается в подключении или не-подключении запоминающего эле­ мента к разрядной линии считывания. В зависимости от этого из ЗЭ будет всегда извлекаться 1 или 0. В роли перемычки выступает транзистор, расположенный на пересечении адресной и разрядной линий. Какие именно ЗЭ должны быть под­ ключены к выходной линии, определяет маска, «закрывающая» определенные уча­ стки кристалла. При создании масочных ПЗУ применяются разные технологии. В первом случае маска просто не допускает металлизации участка, соединяющего транзистор с разрядной линией считывания. Вторая технология связана с видом транзистора в узле. Маска определяет, какой полевой транзистор должен быть имплантирован в данный узел - работающий в обогащенном режиме или в режи­ ме обеднения. В третьем варианте маска задает толщину оксидного слоя затвора транзистора. В зависимости от этого на кристалле формируется либо стандартный транзистор, либо транзистор с высоким порогом срабатывания.

В начальный период масочные микросхемы были дороги, однако сейчас это один из наиболее дешевых видов ПЗУ. Для ROM характерна высокая плотность упа­ ковки ЗЭ на кристалле и высокие скорости считывания информации. Основной сферой применения являются устройства, требующие хранения фиксированной информации. Так, подобные ПЗУ часто используют для хранения шрифтов в ла­ зерных принтерах.

Основная память 22 9

• Flash File — массив разделен на несколько равноправных блоков одинакового размера, содержимое которых может стираться независимо.

Полностью содержимое флэш-памяти может быть очищено за одну или несколь­ ко секунд, что значительно быстрее, чем у EEPROM. Программирование (за­ пись) байта занимает время порядка 10 мкс, а время доступа при чтении со­ ставляет 35-200 нс.

Как и в EEPROM, используется только один транзистор на бит, благодаря чему достигается высокая плотность размещения информации на кристалле (на 30% выше чем у DRAM).

Наиболее распространенные серии микросхем флэш-памяти - 28Fxxx, 29F/C/ ЕЕххх, 39SFxxx (параллельные) и 45Dxxx (последовательные).

Энергонезависимые оперативные запоминающие устройства

Под понятие энергонезависимое ОЗУ (NVRAM - Non-Volatile RAM) подпадает несколько типов памяти. От перепрограммируемых постоянных ЗУ их отличает отсутствие этапа стирания, предваряющего запись новой информации, поэтому вместо термина «программирование» для них употребляют стандартный термин «запись».

Микросхемы BBSRAM. К рассматриваемой группе относятся обычные стати­ ческие ОЗУ со встроенным литиевым аккумулятором и усиленной защитой от искажения информации в момент включения и отключения внешнего питания. Для их обозначения применяют аббревиатуру BBSRAM (Battery-Back SRAM).

Микросхемы NVRAM. Другой подход реализован в микросхеме, разработанной компанией Simtec. Особенность ее в том, что в одном корпусе объединены стати­ ческое ОЗУ и перепрограммируемая постоянная память типа EEPROM. При вклю­ чении питания данные копируются из EEPROM в SRAM, а при выключении — автоматически перезаписываются из SRAM в EEPROM. Благодаря такому при­ ему данный вид памяти можно считать энергонезависимым.

Микросхемы FRAM. FRAM (Ferroelectric RAM - ферроэлектрическая память)' разработана компанией Ramtron и представляет собой еще один вариант энерго­ независимой памяти. По быстродействию данное ЗУ несколько уступает динами­ ческим ОЗУ и пока рассматривается лишь как альтернатива флэш-памяти. При­ числение FRAM к оперативным ЗУ обусловлено отсутствием перед записью явно выраженного цикла стирания информации.

Запоминающий элемент FRAM похож на ЗЭ динамического ОЗУ, то есть со­ стоит из конденсатора и транзистора. Отличие заключено в диэлектрических свой­ ствах материала между обкладками конденсатора. В FRAM этот материал (несмот­ ря на название, он не содержит железа и имеет химическую формулу ВаТiO3) обладает большой диэлектрической постоянной и может быть поляризован с по­ мощью электрического поля. Поляризация сохраняется вплоть до ее изменения противоположно направленным электрическим полем, что и обеспечивает энер­ гонезависимость данного вида памяти. Данные считываются за счет воздействия на конденсатор электрического поля. Величина возникающего при этом тока за­ висит от того, изменяет ли приложенное поле направление поляризации на проти-

23 0 Глава 5. Память '

воположное или нет, что может быть зафиксировано усилителями считывания. В процессе считывания содержимое ЗЭ разрушается и должно быть восстановле­ но путем повторной записи, то есть как и DRAM, данный тип ЗУ требует регене­ рации. Количество циклов перезаписи для FRAM обычно составляет 10 млрд.

Главное достоинство данной технологии в значительно более высокой скорос­ ти записи по сравнению с EEPRОM. В то же время относительная простота ЗЭ позволяет добиться высокой плотности размещения элементов на кристалле, со­ поставимой с DRAM. FRAM выпускаются в виде микросхем, полностью совмес­ тимых с последовательными и параллельными EEPROM. Примером может слу­ жить серия 24Схх.

Специальные типы оперативной памяти

В ряде практических задач более выгодным оказывается использование специа­ лизированных архитектур ОЗУ, где стандартные функции (запись, хранение, считывание) сочетаются с некоторыми дополнительными возможностями или учи­ тывают особенности применения памяти. Такие виды ОЗУ называют специали­ зированными и к ним причисляют:

•память для видеоадаптеров;

•память с множественным доступом (многопортовые ОЗУ);

•память типа очереди (ОЗУ типа FIFO).

Два последних типа относятся к статическим ОЗУ.

Оперативные запоминающие устройства для видеоадаптеров

Использование памяти в видеоадаптерах имеет свою специфику и для реализации дополнительных требований прибегают к несколько иным типам микросхем. Так, при создании динамичных изображений часто достаточно просто изменить распо­ ложение уже хранящейся в видеопамяти информации. Вместо того чтобы много­ кратно пересылать по шине одни и те же данные, лишь несколько изменив их рас­ положение, выгоднее заставить микросхему памяти переместить уже хранящиеся в ней данные из одной области ядра в другую. На ИМС памяти можно также воз­ ложить операции по изменению цвета точек изображения.

Кратко рассмотрим некоторые из типов ОЗУ, ориентированных на примене­ ние в качестве видеопамяти.

Микросхемы CGRAM. Аббревиатура SGRAM (Synchronous Graphic DRAM - синхронное графическое динамическое ОЗУ) обозначает специализированный вид синхронной памяти с повышенной внзггренней скоростью передачи данных. SGRAM может самостоятельно выполнять некоторые операции над видеоданными, в част­ ности блочную запись. Предусмотрены два режима такой записи. В первом - ре­ жиме блочной записи (Block Write) - можно изменять цвет сразу восьми элементов изображения (пикселов). Назначение второго режима - блочной записи с маски­ рованием определенных битов (Masked Write или Write-per-Bit) - предотвратить изменение цвета для отдельных пикселов пересылаемого блока. Имеется также модификация данной микросхемы, известная как DDR SGRAM, отличие которой

Основная память 2 3 1

очевидно из приставки DDR. Использование обоих фронтов синхросигналов ве­ дет к соответствующему повышению быстродействия ИМС.

Микросхемы VRAM. ОЗУ типа VRAM (Video RAM) отличается высокой про­ изводительностью и предназначено для мощных графических систем. При разра­ ботке ставилась задача обеспечить постоянный поток данных при обновлении изоб­ ражения на экране. Для типовых значений разрешения и частоты обновления изображения интенсивность потока данных приближается к 200 Мбит/с. В таких условиях процессору трудно получить доступ к видеопамяти для чтения или за­ писи. Чтобы разрешить эту проблему, в микросхеме сделаны существенные архи­ тектурные изменения, позволяющие обособить обмен между процессором и яд­ ром VRAM для чтения/записи информации и операции по выдаче информации на схему формирования видеосигнала (ЦАП - цифро-аналоговый преобразова­ тель). Связь памяти с процессором обеспечивается параллельным портом, а с ЦАП — дополнительным последовательным портом. Кроме того, динамическое ядро DRAM дополнено памятью с последовательным доступом (SAM — Serial Access Memory) емкостью 4 Кбайт. Оба вида памяти связаны между собой широ­ кой внутренней шиной. Выводимая на экран информация порциями по 4 Кбайт из ядра пересылается в SAM и уже оттуда, в последовательном коде (последователь­ ный код формируется с помощью подключенных к SAM сдвиговых регистров), поступает на ЦАП. В момент перезаписи в SAM новой порции ядро VRAM полно­ стью готово к обслуживанию запросов процессора. Наряду с режимами Block Write и Write-per-Bit микросхема реализует режим Flash Write, позволяющий очистить целую строку памяти. Имеется также возможность маскировать определенные ячейки, защищая их от записи.

Микросхемы WRAM. Данный вид микросхем, разработанный компанией Sam­ sung, во многом похож на VRAM. Это также двухпортовая память, допускающая одновременный доступ со стороны процессора и ЦАП, но по конструкции она не­ сколько проще, чем VRAM. Имеющиеся в VRAM, но редко используемые функ­ ции исключены, а вместо них введены дополнительные функции, ускоряющие вывод на экран текста и заполнение одним цветом больших площадей экрана. В WRAM применена более быстрая схема буферизации данных и увеличена раз­ рядность внутренней шины. Ускорено также ядро микросхемы, за счет использо­ вания режима скоростного страничного режима (UFP — Ultra Fast Page), что обес­ печивает время доступа порядка 15 нс. В среднем WRAM на 50% производительнее, чем VRAM, и на 20% дешевле. Применяется микросхема в мощных видеоадапте­ рах.

Микросхемы MDRAM. Микросхема типа MDRAM (Multibank DRAM - мно­ гоблочное динамическое ОЗУ) разработана компанией MoSys и ориентирована на графические карты. Память содержит множество независимых банков по 1К 32-разрядных слов каждый. Банки подключены к быстрой и широкой внутренней шине. Каждый банк может выполнять определенные операции независимо от дру­ гих банков. Отказ любого из банков ведет лишь к сокращению суммарной емкости памяти и некоторому снижению показателей быстродействия. Благодаря блочно­ му построению технология позволяет изготавливать микросхемы практически любой емкости, не обязательно кратной степени числа 2.

Основная память 2 3 5

обмена сообщениями между устройствами, подключенными к Л- и П-портам. Со­ общению от левого устройства выделена ячейка с четным адресом (если емкость памяти равна 1К, то это будет адрес 3FF16), а от правого — с нечетным (3FE16). Когда устройство записывает информацию в свой «почтовый ящик», формирует­ ся запрос прерывания к устройству, подключенному к противоположному порту. Этот сигнал автоматически сбрасывается, когда адресат считывает информацию из своего «почтового ящика».

Система семафоров - это имеющийся в двухпортовой памяти набор из восьми триггеров, состояние которых может быть прочитано и изменено со стороны лю­ бого из портов. Триггеры играют роль программных семафоров или флагов, с по­ мощью которых Л- и П-устройства могут извещать друг друга о каких-то собы­ тиях. Сущность этих событий не зафиксирована и определяется реализуемыми программами. Обычно семафоры нужны для предоставления одному из процессо­ ров монопольного права работы с определенным блоком данных до завершения всех необходимых операций с этим блоком. В этом случае процессор, монополи­ зирующий блок данных, устанавливает один из семафоров в состояние 1, а по за­ вершении — в 0. Второй процессор, прежде чем обратиться к данному блоку, счи­ тывает семафор и при единичном состоянии последнего повторяет считывание и анализ семафора до тех пор, пока первый процессор не установит его в состоя­ ние 0. Естественно, что в программном обеспечении Л- и П-процессоров распреде­ ление и правила использования семафоров должны быть согласованы. '

Зачастую одной микросхемы многопортовой памяти не хватает из-за недоста­ точной емкости одной ИМС или ввиду малой разрядности ячеек. В обоих случаях необходимо соединить несколько микросхем, соответственно параллельно или последовательно. Если несколько микросхем объединяются в цепочку для дости­ жения нужной разрядности слова, возникает проблема с арбитражем при одновре­ менном обращении к одной и той же ячейке. В этих случаях в разных ИМС цепоч­ ки, в силу разброса их параметров, предпочтение может быть отдано разным портам, в то время как решение должно быть единым. Для исключения подобной ситуа­ ции микросхемы многопортовой памяти выпускаются в двух вариантах: ведущие (master) и ведомые (slave). Принятие решения производится только в ведущих микросхемах, а ведомые функционируют в соответствии с инструкцией, получен­ ной от ведущего. Таким образом, в цепочке используется только одна микросхема типа «ведущий», а все прочие ИМС должны иметь тип «ведомый».

Память типа FIFO

Во многих случаях ОЗУ применяется для буферизации потока данных, когда дан­ ные считываются из памяти в той же последовательности, в которой они туда за­ носились, но поступление и считывание происходят с различной скоростью. Час­ то для этой цели применяют обычное ОЗУ, однако здесь одновременная запись и считывание информации невозможны. Более эффективным видом ОЗУ, где оба действия могут вестись одновременно,.служит память типа FIFO. Микросхема представляет собой двухпортовое ОЗУ, где один порт предназначен для занесе­ ния информации, а второй - для считывания. Для FIFO-памяти характерны все технологические приемы, свойственные двухпортовой памяти, в частности спосо-