Характеристики запоминающих устройств и их условные обозначения

Запоминающие устройства компьютера служат для запоминания внутри компьютера информации, как подлежащей обработке, так и той, которая служит для управления работой компьютера в целом.

Все используемые в компьютере запоминающие устройства (ЗУ) можно разделить на две группы: внешние ЗУ и внутренние ЗУ. К внешним ЗУ относятся: магнитные ЗУ (HDD - НЖМД, FDD - НГМД, Streamer – НМЛ), оптические ЗУ (CD и DVD) и электронные ЗУ (Flash-память). Внутренние ЗУ включают в себя основную оперативную память (ОЗУ), кэш-память, BIOS-память (постоянную или репрограммируемую) и регистровую память ядра процессора. Вся внутренняя память выполняется в микроэлектронном исполнении.

Микроэлектронными запоминающими устройствами называются устройства, предназначенные для приема, хранения и выдачи цифровой информации, выполненные в виде интегральных микросхем.

Основные характеристики ЗУ.

Наиболее важными являются две основные характеристики ЗУ:

- информационная емкость или объем памяти ЗУ;

- быстродействие ЗУ.

Информационная емкость определяется максимальным числом единиц информации (бит, байт, килобит, килобайт и т.д.), которое может хранить данное ЗУ. Каждая микросхема состоит из элементов памяти, хранящих одну двоичную единицу информации – бит, которые группируются в так называемые запоминающие ячейки (ячейки памяти). В одной запоминающей ячейке хранится двоичный код, который может быть записан или считан за одно обращение к ЗУ (бит, байт, слово, двойное слово и т.д.).

Быстродействие ЗУ определяет скорость обмена информацией с данным ЗУ, т.е. временем выполнения операции записи или считывания данных. Обычно быстродействие микросхемы памяти характеризуется двумя основными параметрами: временем доступа (выборки) и длительностью цикла.

Временем доступа (Access Time) называют задержку появления действительных данных на выходе ЗУ относительно начала обращения к памяти (подачи сигнала выборки). Эта характеристика определяет быстродействие чтения (записи) данных по случайному адресу. Для современных микросхем синхронной динамической оперативной памяти время доступа равна 30…40 нс.

Длительность цикла определяется как минимальный период следующих друг за другом выборок данных из памяти. Длительность цикла называют также рабочим циклом или циклом обращения. Дело в том, что в современных компьютерах обращение к основной оперативной памяти чаще всего происходит не по случайным адресам, а пакетной выборкой адресов. Поэтому рабочий цикл оперативной памяти, как правило, короче времени доступа и достигает 3…6 нс и даже меньше.

Что же касается статической кэш-памяти, то время доступа к ней существенно меньше и достигает даже долей наносекунды.

Классификация ЗУ.

По характеру хранения информации микроэлектронные ЗУ можно разделить на 3 группы.

1. ЗУ с постоянным хранением информации:

a) постоянные ЗУ – ПЗУ или ROM (Read Only Memory, программируемые при изготовлении;

b) программируемые постоянные – ППЗУ или PROM (ROM), программируемые пользователем.

2. ЗУ долговременного хранения информации с возможностью ее перепрограммирования (перезаписи) – РПЗУ или RPROM (Reprogrammable ROM):

a) РПЗУ с электрической записью информации и стиранием ультрафиолетовым облучением – СППЗУ (стираемые ППЗУ) или EPROM (Erasable PROM);

b) РПЗУ с электрической записью и электрическим же стиранием информации ЭСПЗУ (электрически стираемые ППЗУ) или EEPROM (Electrically Erasable PROM). Разновидностью EEPROM является ЗУ типа Flash (флэш-память).

3. ЗУ оперативного хранения информации ОЗУ или RAM (Random Access Memory):

a) астатические ОЗУ или SRAM (Static RAM);

b) динамические ОЗУ или DRAM (Dynamic RAM).

ЗУ постоянного и долговременного хранения информации.

Первые два типа ЗУ являются энергонезависимыми ЗУ, поскольку информация, занесенная в них, сохраняется и при отключении их от источников питания. Третий тип – является энергозависимым, в котором при пропадании, даже краткосрочном, питания, информация, записанная в нем, полностью пропадает. Правда, в настоящее время налажено производство и энергонезависимых ОЗУ, за счет размещения элемента питания внутри корпуса самой микросхемы. Это так называемые NVRAM (Non Volatile RAM – неиспаряющееся ОЗУ), которые используется в особо ответственных случаях. Они могут сохранять информацию при отключенном питании до 10 лет и более.

Заметим также, что в последнее время в качестве ППЗУ (PROM) стали использовать микросхемы типа СППЗУ (EPROM) без окошка для ультрафиолетового стирания. Такие микросхемы можно запрограммировать только один раз и в зарубежной литературе они получили специальное название OTP EPROM (One-Time Programmable EPROM).

Приведем условные графические обозначения микросхем наиболее распространенных типов ЗУ постоянного и долговременного хранения информации.

Здесь: A (Address) – поле адреса;

DO (Data Output) – выходные данные;

CS (Chip Select) – выбор кристалла: вход сигнала, подключающего

данную микросхему к шине адреса. При невыбранном кристалле (CS=1), выходы данных находятся в третьем (высокоомном) состоянии;

OE (Output Enable) – вход, активный сигнал на котором разрешает

выдачу информации на шину данных: на микросхемах некоторых изготовителей обозначается как вход CE (Chip Enable);

PR (Programmable) – вход, используемый в режиме программирования микросхемы. Однако следует отметить, что в некоторых микросхемах ППЗУ вход PR отсутствует и его функции в режиме программирования микросхемы выполняет вход CS;

n - количество двоичных разрядов кода адреса;

m – количество двоичных разрядов слова данных, выдаваемого по одному адресу. Оно равно числу запоминающих элементов в одной запоминающей ячейке микросхемы памяти;

Общую емкость микросхемы памяти можно легко определить по ее выводам. Количество запоминающих ячеек у нее определится как 2n, а в каждой ячейке хранится одно слово, разрядность которого определится числом разрядов выдаваемого кода, т.е. числом – m. Следовательно, общая емкость микросхемы памяти будет равна Cбит= 2n m. Само же это выражение носит название организации памяти (например, 4К 8, 2М 1 и т.п.).

ЗУ оперативного хранения информации.

ОЗУ (RAM) являются запоминающими устройствами оперативного хранения информации и, по типу используемых элементов памяти, подразделяются на статические (SRAM) и динамические (DRAM) запоминающие устройства. В SRAM в качестве элементов памяти используются RS – триггеры, а в DRAM – конденсаторы, сформированные в кремниевом кристалле, заряженное состояние которых интерпретирует 1, а разряженное – 0. Микросхемы памяти типа SRAM удобнее в использовании и обладают большим быстродействием. Поэтому кэш-память всегда делается типа SRAM. Однако, плотность размещения элементов памяти SRAM на кристалле микросхемы меньше чем у DRAM (примерно в 16 раз). Кроме того, потребление энергии и, следовательно, рассеиваемая мощность у них существенно выше. Поэтому, при одинаковом технологическом уровне производства, удельная стоимость памяти типа SRAM (стоимость в расчете на один бит), значительно выше.

К настоящему времени, достигнута емкость памяти одного кристалла микросхемы DRAM до 512 МГбит. Однако заряд на конденсаторах элементов памяти DRAM, определяющий бит информации, из-за неидеальной изоляции между конденсаторами элементов памяти, со временем изменяется. Это обстоятельство приводит к необходимости периодически, примерно каждые две миллисекунды, осуществлять обновление состояния конденсаторов, т.е. осуществлять так называемую регенерацию ячеек памяти ЗУ. (При этом в современных компьютерах расходы времени на регенерацию составляют около 1% процессорного времени). Кроме того, при считывании информации, конденсаторы ячеек памяти разряжаются, и их заряд после каждого считывания необходимо восстанавливать. Эти обстоятельства, а также то, что перезаряд емкостей элементов памяти DRAM занимает большее время, чем опрокидывание триггеров элементов памяти типа SRAM, является причиной того, что быстродействие памяти типа SRAM, на порядок выше, чем памяти типа DRAM.

В современных компьютерах, в качестве оперативной памяти, почти исключительно используется так называемая синхронная динамическая память – SDRAM (Synchronous Dynamic RAM), особенностью которой является синхронизация записи и считывания с тактовой частотой системной шины, что позволяет увеличить быстродействие запоминающих устройств. Поэтому основное развитие электронной оперативной памяти происходит в настоящее время за счет усовершенствования микросхем памяти типа SDRAM. Более подробно о структурах и тенденциях развития этого типа памяти будет изложено ниже.

Ниже приведем условные графические обозначения ЗУ оперативного хранения информации на принципиальных схемах цифровых устройств, установленные ГОСТ.Как уже упоминалось, ЗУ оперативного хранения информации бывают двух видов: статические (SRAM) и динамические (DRAM). Условные графические обозначения статических микросхем памяти оперативного хранения информации изображены на Рис.

Микросхемы SRAM, в качестве управляющих, обычно имеют два входа: обычный вход выбора микросхемы CS и вход режима работы микросхемы – WR/RD (Write/Read). Низкий уровень управляющего сигнала режима работы (логический 0) устанавливает режим записи информации в микросхему памяти. Высокий уровень управляющего сигнала (логическая 1) определяет режим считывания информации из нее.

Входы и выходы данных у микросхем могут быть раздельными, а могут быть и совмещенными, что отмечается значком ↔ в основном поле изображения. Заметим также, что значок характеризует микросхему с использованием третьего, высокоомного, состояния выходов. На рис.VII.10 а) приведена микросхема памяти с раздельным битовым входом и выходом. Поскольку вход и выход один, каждая ячейка памяти будет содержать один бит информации, следовательно, организация памяти будет 2ⁿ 1. На рис.VII.10 б) изображено условное графическое обозначение статической памяти с совмещенными входами и выходами, которые используются и при записи информации в память и при ее считывании из памяти. При этом изображено 8 входов/выходов данных, что означает байтовую организацию памяти 2ⁿ 8. Следовательно, за одно обращение к памяти можно записать или считать один байт информации.

Следует заметить, что иногда, вместо одного совмещенного входа управления режимом работы микросхемы памяти WR/RD, используют два раздельных входа управления: WE (Write Enable) и OE (Output Enable), активными сигналами которых являются высокие уровни напряжения (логические 1).

Условное графическое обозначение на схемах микросхем динамической памяти приведено на рис.

Микросхемы динамической оперативной памяти (DRAM), организованы в виде прямоугольной матрицы запоминающих ячеек памяти, причем пересечение столбца и строки матрицы определяет одну из этих запоминающих ячеек. При обращении к той или иной запоминающей ячейки задаются последовательно, адреса нужной строки и столбца. Считывание адреса строки происходит при подаче на входы матрицы специального стробирующего импульса на вход RAS (Row Address Strobe), а считывание адреса столбца – при подаче стробирующего импульса CAS (Column Address Strobe). Следовательно, импульсы RAS и CAS также подаются последовательно друг за другом, причем импульс CAS всегда подается после импульса RAS, т.е. сначала происходит выбор строки, а затем – выбор столбца. При этом осуществляется мультиплексированный прием адресов. На одни и те же адресные выводы сначала подается код адреса строки (старшие разряды адреса), который записывается во внутренний регистр строки по стробу RAS, а затем код адреса столбца по стробу CAS, который записывается во внутренний регистр столбца. Это позволяет почти в два раза уменьшить общее число выводов а, следовательно, использовать меньший, по сравнению с микросхемами SRAM, корпус микросхемы. Кроме того, мультиплексированный прием адресов облегчает реализацию регенерации информации в микросхеме.

Следует заметить, что иногда вместо обозначения RAS используют обозначение SEX (Strobe Enable X), а вместо CAS – SEY (Strobe Enable Y).

Дата добавления: 2015-10-26