- •Оглавление
- •Введение
- •Глава 1. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
- •1.1. Понятие архитектуры вычислительной системы. Структура аппаратной части и назначение основных функциональных узлов
- •1.2. Базовые параметры и технические характеристики ЭВМ
- •Контрольные вопросы к главе 1
- •Глава 2. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОРА
- •2.2. Устройство управления с программируемой логикой
- •2.3. Устройство управления с жесткой логикой
- •2.4. Слово состояния процессора
- •2.5. Микроконтроллеры
- •2.6. Особенности организации однокристальных и секционных микропроцессоров
- •2.8. Архитектура и функционирование микропроцессора
- •Контрольные вопросы к главе 2
- •Глава 3. СИСТЕМЫ КОМАНД МИКРОЭВМ
- •3.1. Язык микроопераций для описания вычислительных устройств
- •3.2. Структура и формат команд микропроцессора и МПС
- •3.3. Программирование микропроцессора
- •Контрольные вопросы к главе 3
- •Глава 4. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРЫ И АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭВС
- •4.1. Требования различных задач к вычислительным ресурсам и ограничения фон-Неймановской архитектуры
- •4.2. Распараллеливание процессов обработки информации
- •4.3. Принцип совмещения операций. Конвейерная обработка информации
- •4.4. Архитектура процессоров с сокращенным набором команд
- •4.5. Применение кэш-памяти и повышение пропускной способности
- •4.6. Транспьютеры
- •4.7. Развитие новых архитектурных принципов
- •4.8. Оценка производительности скалярного процессора
- •Контрольные вопросы к главе 4
- •Глава 5. ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
- •5.1. Классификация и иерархическая структура памяти ЭВМ
- •5.2. Запоминающие элементы статических ОЗУ
- •5.3. Запоминающие элементы динамических ОЗУ
- •5.4. Структуры матриц накопителей информации
- •5.5. Структура построения БИС статических ОЗУ и модулей памяти
- •5.6. Структура построения БИС динамических ОЗУ
- •5.7. Элементная база и организация постоянных запоминающих устройств
- •Контрольные вопросы к главе 5
- •Глава 6. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА МАГНИТНЫХ НОСИТЕЛЯХ
- •6.1. Принцип записи двоичной информации на магнитную поверхность
- •6.3. Методы записи цифровой информации на магнитный носитель
- •6.4. Воспроизведение информации и повышение ее достоверности
- •6.5. Накопители на гибких магнитных дисках и их контроллеры
- •6.6. Накопители на жестких магнитных дисках типа винчестер и их контроллеры
- •6.7. Накопители на сменных магнитных дисках
- •6.8. Накопители на магнитной ленте
- •Контрольные вопросы к главе 6
- •Глава 7. ОПТИЧЕСКИЕ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ВЗУ
- •7.1. Лазерные системы и их применение в устройствах внешней памяти
- •7.2. Оптические диски
- •7.3. Магнитооптические диски
- •7.4.Устройство накопителя на оптических дисках
- •Контрольные вопросы к главе 7
- •Глава 8. ВЗУ НА ЦМД-СОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ
- •8.1. Принципы возникновения цилиндрических магнитных доменов
- •8.2. Организация продвижения ЦМД
- •8.4. Структура ЦМД-микросхем памяти
- •8.5. Устройство ЦМД-накопителя
- •Контрольные вопросы к главе 8
- •Глава 9. ВЗУ НА ОСНОВЕ ГОЛОГРАФИИ
- •9.1. Носители информации голографических ЗУ
- •9.2. Создание голограмм
- •9.3. Воспроизведение голограмм
- •9.4. Голографические ЗУ двоичной информации
- •Контрольные вопросы к главе 9
- •Глава 10. ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЗАДРЕСНОЙ И ВИРТУАЛЬНОЙ ПАМЯТИ
- •10.1. Стековая память
- •10.2. Ассоциативная память
- •10.3. Виртуальная память со страничной организацией
- •10.4. Структура виртуальной памяти при сегментном распределении
- •Контрольные вопросы к главе 10
- •Глава 11. НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ
- •11.1. Классификация периферийных устройств
- •Контрольные вопросы к главе 11
- •Глава 12. УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО СЧИТЫВАНИЯ ТЕКСТОВ
- •12.1. Устройства автоматического ввода печатных текстов
- •12.2. Методы распознавания образов печатных знаков
- •12.3. Устройства автоматического ввода рукописных текстов
- •12.4. Средства считывания и хранения графических изображений поврежденных рукописных текстов
- •12.5. Кодирование текстов для электронных публикаций
- •Контрольные вопросы к главе 12
- •Глава 13. УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ
- •13.1. Устройства автоматического ввода одноконтурных изображений
- •13.2. Устройства автоматического ввода многоконтурных и полутоновых изображений
- •13.3. Считывание цветных изображений
- •Контрольные вопросы к главе 13
- •Глава 14. УСТРОЙСТВА ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОГО ВВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ - ДИГИТАЙЗЕРЫ
- •14.1. Устройство рабочего поля планшета
- •14.2. Структурная схема дигитайзера и ее функционирование
- •Контрольные вопросы к главе 14
- •Глава 15. УСТРОЙСТВА ВВОДА - ВЫВОДА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ
- •15.1. Модель речи
- •15.2. Структурная схема анализатора речи
- •15.3. Структура устройств ввода речи
- •15.4.Устройства вывода речевой информации - синтезаторы
- •Контрольные вопросы к главе 15
- •Глава 16. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ - ДИСПЛЕИ
- •16.1. Классификация дисплеев
- •16.2. Способы формирования изображения на экране телевизионного дисплея
- •16.3. Структурная схема текстового телевизионного дисплея
- •16.4. Структурная схема графического телевизионного дисплея
- •16.5. Устройство плоских экранов
- •Контрольные вопросы к главе 16
- •Глава 17. АВТОМАТИЧЕКИЕ УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ - ГРАФОПОСТРОИТЕЛИ
- •17.1. Классификация и устройство графопостроителей
- •17.2. Принципы работы графопостроителя по вычерчиванию
- •17.3. Структурная схема планшетного графопостроителя
- •17.4. Структурная схема растрового графопостроителя
- •Контрольные вопросы к главе 17
- •Глава 18. АППАРАТУРА ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
- •18.1. Обобщенная структурная схема аппаратуры передачи дискретной информации
- •18.2. Характеристики аппаратуры передачи данных
- •18.3. Принципы организации интерфейсов
- •18.4. Классификация интерфейсов
- •Контрольные вопросы к главе 18
- •Глава 19. АВТОМАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ
- •19.1. Назначение устройств ввода-вывода аналоговой информации в ЭВМ
- •19.2. Принципы построения ЦАП и АЦП
- •19.3. Принципы построения и программирование системы ввода-вывода аналоговой информации в ЭВМ
- •Контрольные вопросы к главе 19
- •Глава 20. КАНАЛЫ ВВОДА-ВЫВОДА И АППАРАТУРА СОПРЯЖЕНИЯ
- •20.2. Организация обмена массивами данных
- •20.3. Мультиплексный канал
- •20.4. Селекторный канал
- •20.5. Устройства сопряжения - мультиплексоры передачи данных
- •Контрольные вопросы к главе 20
- •Глава 21. УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ОШИБОК В ПЕРЕДАВАЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ
- •21.1. Причины возникновения ошибок в передаваемой информации
- •21.2. Краткая характеристика способов защиты от ошибок
- •21.3.Обнаруживающие коды - с проверкой на четность и итеративный код
- •21.4. Корректирующий код Хэмминга
- •21.5. Циклические коды
- •21.6. Циклический код Файра как средство коррекции пакетов ошибок
- •Контрольные вопросы к главе 21
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •Приложение 2
- •Приложение 3
- •Приложение 4
- •Приложение 5
- •Приложение 6
- •Приложение 7
- •Приложение 8
- •Приложение 9
- •Приложение 10
- •Приложение 11
- •Приложение 12
- •Приложение 13
- •Приложение 14
- •Приложение 15
- •Приложение 16
- •Приложение 17
- •Приложение 18
- •Приложение 19
- •Приложение 20
- •Приложение 22
- •Приложение 23
- •Приложение 24
- •Приложение 25
- •Приложение 26
- •Предметный указатель
- •Список литературы
Глава 5. Оперативная память |
95 |
Повышение надёжности функционирования ОЗУ на БИС ЗУ достигают путём применения различных методов. Основным практическим методом уменьшения числа ошибок в информации, вызванных отказами и сбоями ОЗУ и другого оборудования ОЗУ, является использование корректирующих кодов. Корректирующий код образуется путём добавления к информационным разрядам группы дополнительных, т.н. избыточных, контрольных разрядов, которые представляют собой свёртку по определённому алгоритму групп информационных разрядов. Корректирующая способность кода определяется мощностью кода L, под которой понимается способность кода корректировать L-кратные ошибки.
ВОЗУ первых выпусков через каждые 8мсек производилось 512 циклов регенерации,
всовременных ОЗУ ёмкостью 1Мбит интервал регенерации увеличен в 6-10 раз, благодаря чему мощность токопотребления снизилась до нескольких мВт.
Благодаря созданию пакетного метода записи и считывания информации из ОЗУ, имеющих время выборки 100 - 120 нс, удалось обеспечить время выборки одного бита, равное 15-40 нс.
Первый шаг в совершенствовании ОЗУ бил сделан, когда перешли от одноразрядной организации ИС к четырехразрядной. Разработаны и внедрены дополнительные режимы работы: страничный, слоговый (полубайтовый) и статической дешифрации столбцов, позволяющие последовательно обращаться к ограниченным блокам данных с высокой скоростью.
Создание следующих поколений ОЗУ методами традиционной технологии затруднено: при дальнейшем уменьшении размеров конденсаторов качество и надёжность их работы значительно ухудшаются, так как уменьшается величина накапливаемого электрического заряда, разряд становится неразличимым на уровне электрических шумов. Повышение степени интеграции при технологическом подходе проводится двумя способами. Канавочный способ предполагает формирование в полупроводниковом кристалле канавки, в которой размещаются конденсаторы. При стековом способе конденсаторы размещаются стопкой.
Японские фирмы Toshiba, NEC и Mitsubishi создали МОП ОЗУ ёмкостью 16 Мбит, время выборки 45 - 60 нс.
Ксередине 90-х годов на рынке появились ОЗУ ёмкостью 64 Мбит на конденсаторах цилиндрического типа. Значительно большие трудности возникнут при создании ОЗУ ёмкостью 256 Мбит, возможно, это будет последнее поколение ОЗУ, работа которого базируется на традиционном принципе хранения заряда. Потребуется разработать и применить новые принципы организации элементов памяти.
5.7.Элементная база и организация постоянных запоминающих устройств
Впостоянных запоминающих устройствах (ПЗУ) между входной информацией - адресом - и выходной информацией - считанным словом - существует взаимооднозначное соответствие. По существу ПЗУ представляют собой конечные автоматы без памяти. ПЗУ используются лишь в режиме считывания информации, при этом записанная информация не разрушается. Хранящаяся в ПЗУ информация не изменяется в процессе решения задачи. Она записывается заблаговременно при изготовлении устройств и может быть произвольной. ПЗУ часто обозначают ROM от англ. read only memory.
ВПЗУ универсальных ЭВМ хранятся константы, стандартные подпрограммы, контрольные программы - тесты - и т.п. В виде ПЗУ выполняется микропрограммное устройство управления, в котором хранятся микропрограммы команд.
Вспециализированных ЭВМ, работающих в ряде случаев без вмешательства оператора, в ПЗУ хранятся основные программы работы ЭВМ; ПЗУ могут выполнять роль кодиру-
Глава 5. Оперативная память |
96 |
ющих и декодирующих устройств, могут выполняться для выполнения арифметических операций табличным способом.
ПЗУ проще, дешевле и надёжнее ОЗУ, поскольку в них отсутствуют схемы записи информации, и для хранения информации могут применяться более простые и дешевые элементы. Простота элементов матрицы ПЗУ, а также отсутствие цепей регенерации позволяют получить период обращения к ПЗУ в несколько раз меньший, чем период обращения к ОЗУ. В ПЗУ, предназначенных для хранения констант и команд, период обращения обычно делается равным периоду обращения к ОЗУ.
Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) отличаются от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ - ввести в него программу с помощью специального устройства программатора, но только один раз: после введения программы содержимое памяти изменить нельзя.
Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство - РПЗУ, называемое также стираемым ПЗУ, допускает неоднократное стирание информации и запись новой о помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.
Структурная схема ПЗУ аналогична структурной схеме ОЗУ. Различие состоит в том, что в ПЗУ отсутствуют схемы, предназначенные для записи информации. Матрица накопителя информации обычно организуется по системе 2D. В узлах матриц располагаются запоминающие элементы, иногда называемые для ПЗУ элементами связи (ЭС). ЭС связывают между собой электрически (или не связывают) адресные и разрядные шины. Наличие ЭС соответствует коду «1», отсутствие ЭС - коду “0”.
Полупроводниковые ЭС могут быть диодными и транзисторными. На рис. 5.22 приведены схемы ЭС полупроводниковых ПЗУ, ППЗУ и РПЗУ. Наибольшую ёмкость при наименьшей потребляемой мощности имеют ПЗУ, построенные на n-канальных МОП транзисторах (рис. 5.22, б). В масочных ПЗУ (рис. 5.22, а-в) информация записывается при изготовлении ПЗУ на заводе заменой одного из фотошаблонов слоя коммутации. Этот фотошаблон изготавливается в соответствии с пожеланиями заказчика по картам заказа, представляющим собой таблицу истинности комбинационной логической схемы, которой является схема ПЗУ.
ША |
|
ША |
|
ША |
ША |
|
|
|
|
ШР |
|
ШР |
VD ШР |
Uп |
ШР |
|
|
|
|
|
|
|
|
VT |
|
|
VT |
|
|
VT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ША |
|
а) |
|
б) |
в) |
г) |
|
|
|
ША |
|
ША |
|
ША |
|
|
VD |
|
|
|
ШР |
ШР |
|
|
|
ШР |
VT1 |
|
|
ШР 1 |
ШР 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VT |
|
|
|
д) |
|
VT2 |
|
е) |
ж) |
з) |
|
|
|
|
Рис. 5.22. Запоминающие элементы полупроводниковых ПЗУ, ППЗУ и РПЗУ:
а, б, в - ПЗУ, программируемые маскированием; г, д - ППЗУ, программируемые выжиганием плавких перемычек; е, ж, з - РПЗУ; х - программируемая маскированием перемычка; ~ - плавкая перемычка
Глава 5. Оперативная память |
97 |
Код |
ШР8 ШР7 ШР6 ШР5 ШР4 ШР3 ШР2 ШР1 |
адреса |
ША1 |
|
ША2 |
ДШ |
ША3 |
адреса |
ША4 |
|
Рис. 5.23. Схема ПЗУ на основе диодной матрицы
На рис. 5.23 приведена схема ПЗУ, состоящего из диодной матрицы и дешифратора адреса. Горизонтальные шины матрицы - адресные, вертикальные - разрядные, с них снимаются восьмиразрядные двоичные числа, записанные в ПЗУ. Если, к примеру, с выхода дешифратора возбуждается адресная шина А2, то «лог. 1» проходит с неё через диоды на разрядные шины P2, Р6, Р7 и Р8 сообщая им высокий потенциал, на выходе устанавливается двоичное число 11100010. Аналогично, при возбуждении других адресных шин при поступлении на дешифратор кодов их адреса, на выходах устанавливаются другие двоичные числа из записанных. Диодная матрица на рис. 5.23 является совокупностью элементов ИЛИ. Каждый из элементов ИЛИ состоит из диодов, подключенных к одной разрядной шине, а входами элемента являются адресные шины. Элементы ИЛИ, подобные диодным, могут быть выполнены на основе многоэмиттерных транзисторов. В этом случае структура ППЗУ будет выглядеть так, как это представлено на рис. 5.24. При возбуждении одной из шин адреса отпирается транзистор, база которого присоединена к этой шине. Благодаря этому возбуждаются те разрядные шины, к которым присоединены эмиттеры этого транзистора. В интегральном ПЗУ при изготовлении все эмиттеры соединяются с разрядными шинами через плавкие перемычки.
Код |
Разрядные шины |
Uп |
|
|
|
адреса |
ША1 |
|
ША2
ДШ адреса ША3
Рис. 5.24. Структура БИС ПЗУ на основе многоэмиттерного транзистора
При программировании изготовителем или заказчиком ППЗУ часть плавких перемычек ЭС типа приведённых на рис 5.22, г, д расплавляется импульсами тока, которые пропускают через определённые эмиттеры согласно карте заказа. В результате нарушаются некоторые связи источника питания с разрядными шинами (pис. 5.24), что обеспечивает при считывании появление логических «0» в определённых разрядах числа (слова). Занести новую информацию в ППЗУ невозможно, так как нарушенные связи восстановлению не поддаются.
Элементы РПЗУ выполняются двумя способами и подразделяются на ЭС с режимом записи и отирания электрическим сигналом, и ЭС с записью электрическими сигналами и
Глава 5. Оперативная память |
98 |
стиранием ультрафиолетовым излучением, Соответственно они выполняются либо на полевых транзисторах оо структурой МНОП, либо на МОП транзисторах с плавающим затвором, нередко называемых МОП транзисторами с лавинной инжекцией заряда (ЛИЗ). Эти транзисторы под воздействием программирующего напряжения способны запасать электрический заряд под затвором и сохранять его много тысяч часов без подачи напряжения питания. Заряд изменяет пороговое напряжение транзистора: оно становится меньше того значения, которое имеет транзистор под затвором. На этом свойстве основана возможность программирования матрицы РПЗУ. Однако время программирования довольно значительное, что делает практически невозможным использование РПЗУ в качестве ОЗУ.
Для перепрограммирования такого ПЗУ необходимо предварительно стереть имеющуюся информацию. Эту операцию осуществляют по-разному: в РПЗУ на МНОП транзисторах стирание производит электрический сигнал, который вытесняет накопленный под затвором заряд; в РПЗУ на ЛИНМОП транзисторах эту функцию выполняет ультрафиолетовое излучение, которым облучают кристалл через специальное окно в корпусе микросхемы. Запись в РПЗУ не сопровождается никакими необратимыми процессами, поэтому запись информации можно повторять сколько угодно раз. Если диэлектрик выполнен из SiO2, то даже при температуре +1250C заряд уменьшается на 70% от первоначального значения за 10 лет.
Стирание содержимого РПЗУ осуществляется достаточно просто: поверхность полупроводниковой пластины освещается ультрафиолетовым светом или рентгеновскими лучами. Под их воздействием происходит ионизация и утечка заряда. Время стирания и записи составляет несколько минут. Для БИС с ультрафиолетовым стиранием время стирания длится несколько десятков минут.
Время считывания информации из РПЗУ невелико, но значительно превышает время доступа к оперативной памяти. Основные типовые характеристики БИС РПЗУ приведены в Приложении.
Контрольные вопросы к главе 5
1. Из чего складывается время обращения к ЗУ при неразрушающем считывании? При считывании с разрушением?
2.По каким признакам подразделяются ЗУ?
3.В чем заключается принцип иерархического построения памяти и какая цель при этом достигается?
4.Поясните понятия “адресное пространство”, “виртуальная память”.
5.Посредством чего осуществляется адресация ячеек виртуальной памяти?
6.Назовите три признака, по которым разделяются запоминающие элементы.
7.Перечислите типы полупроводниковых технологий изготовления ЗЭ статических ОЗУ.
8.На каком эффекте основаны ЗЭ на базе биполярных транзисторов с инжекционным питанием, и в чем заключаются их достоинства и недостатки?
9.Сравните основные параметры статических и динамических ЗУ.
10. Какие меры принимаются для исключения зависимости хранения информации в ОЗУ от аварийного отключения питания?
11. Назовите отличия в организации матриц ЗЭ в ОЗУ по способу 2D, 3D, 2,5D.
12. Назовите отличия в структуре организации БИС статических ОЗУ с поразрядной выборкой, с пословной выборкой.
13. С помощью каких элементов линии выходных шин ОЗУ способны принимать три состояния? 14. Назовите три способа объединения БИС ЗУ в запоминающий модуль.
15. Назовите два способа модульной организации ОЗУ.
16. В ЭВМ какой архитектуры применяется ОЗУ с опережающей выборкой?
17. Каково назначение схемы регенерации в динамических ОЗУ? Каким образом регенерация сказывается на быстродействии ОЗУ?
18. В чем отличие назначения и функционирования ПЗУ, ППЗУ и РПЗУ? 19. Назовите элементную базу постоянных ЗУ.
20. Как осуществляется программирование ППЗУ? РПЗУ?