Состав, устройство и принцип действия основной памяти

Основная память

Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центрально­му процессору доступ к программам и информации.

Запоминающие устройства делятся на основную память, сверхоперативную память (СОЗУ) и внешние запоминающие устройства.

Основная память включает два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM — Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM — Read Only-Memory).

ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процес­сором вычислительных операций с данными и может работать в ре­жимах записи, чтения и хранения.

ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например стан­дартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, ко­торые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ, но ПЗУ со­храняет информацию при отключении питания (т.е. является энерго­независимой памятью) и может иметь более высокое быстродействие, так как ограниченность функциональных возможностей ПЗУ и его спе­циализация на чтении и хранении позволяют сократить время выпол­нения реализуемых им операций считывания.

В современных ЭВМ микросхемы памяти (ОП и СОЗУ) изготав­ливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой сте­пенью интеграции элементов на кристалле (микросхемы памяти от­носятся к так называемым «регулярным» схемам, что позволяет сде­лать установку элементов памяти в кристалле (чипе) настолько плот­ной, что размеры элементов памяти становятся сопоставимыми с раз­мерами отдельных атомов).

Основной составной частью микросхемы является массив элемен­тов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.

Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющие обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом.

При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, в связи с чем адрес делится на две части (две координаты) — X и Y. На пересечении этих координат находится эле­мент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.

ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (рис. 5.1).

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элемен­тов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из п матриц ЭП, где п — количество разрядов в ма­шинном слове).

Рис. 5.1. Структурная схема ОЗУ

Максимальная емкость памяти определяется количе­ством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить через т, то емкость памяти (т.е. количество элемен­тов памяти, имеющих уникальные адреса) определяется как 2^т. Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержит 20 линий. Поэтому максималь­ный объем ОП в этих машинах равен 2²⁰ = 1 Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП может быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адре­са содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до 2³² = 4 Гбайта.

Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП. В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер. В качестве динамического ЭП мо­жет использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.

Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) нео­граниченно долго (при включенном питании). Динамические ЭП с тече­нием времени записанную в них информацию теряют (например, из-за саморазряда конденсатора), поэтому они нуждаются в периодическом восстановлении записанной в них информации — в регенерации.

Микросхемы элементов памяти динамических ОЗУ отличаются от аналогичных ЭП статических ОЗУ меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем имеют меньшие размеры и мо­гут быть более плотно упакованы в кристалле. Однако из-за необхо­димости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.

Основными характеристиками ОЗУ являются объем и быстродей­ствие.

В современных ПЭВМ ОЗУ имеет модульную структуру. Смен­ные модули могут иметь различное конструктивное исполнение (SIP, ZIP, SIMM, DIMM). Увеличение объема ОЗУ обычно связано с уста­новкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контак­тном (ЗО-pin) и 72-контактном исполнениях на 1, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбай­та. Время доступа к модулям DRAM составляет 60 — 70 не.

На производительность ЭВМ влияют не только время доступа, но и такие параметры (связанные с ОЗУ), как тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали. Если тактовая частота недоста­точно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения. При такто­вой частоте, превышающей возможности ОЗУ, в ожидании будет нахо­диться системная магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ.

Разрядность шины данных (8, 16, 32 или 64 бита) определяет дли­ну информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за одно обращение. Интегральной характеристикой производительности ОЗУ с учетом частоты и разрядности является пропускная способность, которая из­меряется в мегабайтах в секунду. Для ОП с временем доступа 60-70 не и разрядностью шины данных 64 бита максимальная (теоретичес­кая) пропускная способность при тактовой частоте СМ 50 МГц со­ставляет 400 Мбайт/с, при частоте 60 МГц — 480 Мбайт/с, при 66 МГц — 528 Мбайт/с в режиме группового обмена, реализуемом, на­пример, при прямом доступе к памяти. Для группового обмена харак­терно (и это является еще одной характеристикой ОЗУ), что при каж­дом обращении к памяти для считывания первого слова необходимо больше времени, чем для последующих. Так, при использовании стан­дартной динамической памяти FPM (Fust Page Mode) DRAM на 60 — 70 не каждое обращение к памяти в групповом режиме описывается формулой 7-3-3-3, т.е. для обработки первого слова необходимо 7 так­тов (в течение 6 из которых СМ простаивает в ожидании), а для обра­ботки следующих трех слов - по 3 такта, по 2 из которых СМ проста­ивает. Память типа EDO (Extended Data Output) DRAM позволяет уменьшить количество циклов ожидания (х-2-2-2, где х — количество тактов, необходимое для обработки первого слова). Память типа BEDO (Burst EDO) DRAM обеспечивает обмен по формуле х-1-1-1 для первого обращения и 1-1-1-1 — для последующих. Приведенные формулы характерны для тактовых частот до 60 МГц. Синхронная динамическая память (SDRAM — Synchronous DRAM) способна обмениваться блоками данных на рабочей тактовой частоте (внеш­няя частота процессора) без циклов ожидания: при времени доступа 10 не — до 100 МГц, 12 не — до 83 МГц и 15 не — до 66 МГц.

Микросхемы ПЗУ также построены по принципу матричной струк­туры накопителя. Функции элементов памяти в них выполняют пере­мычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзис­торов. В такой матрице наличие перемычки может означать «1», а ее отсутствие — «О». Занесение информации в микросхему ПЗУ назы­вается ее программированием, а устройство, с помощью которого заносится информация, — программатором. Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек по тем адресам, где должен храниться «О». Обычно схемы ПЗУ допускают только одно программирование, но специальные микросхемы — репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) — допускают их многократное стирание и за­несение новой информации. Этот вид микросхем также относится к энергонезависимым, т.е. может длительное время сохранять инфор­мацию при выключенном питании (стирание микросхемы происходит либо за счет подачи специального стирающего напряжения, либо за счет воздействия на кристалл ультрафиолетового излучения, для этого в корпусе микросхемы оставляется прозрачное окно).

Сверхоперативные ЗУ используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2 — 10раз) считывания/записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Регистр представляет собой электронное устройство, способное хранить занесенное в него число неограниченно долго (при включен­ном питании). Наибольшее распространение получили регистры на статических триггерах.

По назначению регистры делятся на регистры хранения и регистры сдвига. Информация в регистры может заноситься и считываться либо параллельно, сразу всеми разрядами, либо последовательно, через один из крайних разрядов с последующим сдвигом занесенной информации.

Сдвиг записанной в регистр информации может производиться вправо или влево. Если регистр допускает сдвиг информации в лю­бом направлении, он называется реверсивным.

Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возмож­ности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произволь­ным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содер­жанию (ассоциативные ЗУ).

Память магазинного типа образуется из последовательно соеди­ненных регистров (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Регистровая структура магазинного типа: а - типа FIFO; б - типа FILO

Если запись в регистровую структуру (рис. 5.2, а) производится через один регистр, а считывание — через другой, то такая память является аналогом линии задержки и работает по принципу «первым вошел — первым вышел» (FIFO — first input, first output).

Если же запись и чтение осуществляются через один и тот же ре­гистр (рис. 5.2, б), такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу «первым вошел — последним вышел» (FILO — first input, last output). При записи числа в стековую память сначала содержимое стека сдвигается в сторону последнего, К-го регистра (если стек был полностью заполнен, то число из К-го регис­тра теряется), а затем число заносится в вершину стека — регистр 1. Чтение осуществляется тоже через вершину стека, после того как число из вершины прочитано, стек сдвигается в сторону регистра 1.

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реа­лизации в ЭВМ разработаны специальные микросхемы. Но часто ра­бота стековой памяти эмулируется в основной памяти ЭВМ: с помо­щью программ операционной системы выделяется часть памяти под стек (в IBM PC для этой цели выделяется 64 Кбайта). Специальный регистр микропроцессора (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОП, выполняющей функции вершины стека. Чтение числа все­гда производится из вершины стека, после чего указатель стека изме­няется и указывает на очередную ячейку стековой памяти (т.е. фак­тически стек остается неподвижным, а перемещается вершина сте­ка). При записи числа в стек сначала номер ячейки в указателе стека модифицируется так, чтобы он указывал на очередную свободную ячейку, после чего производится запись числа по этому адресу. Такая работа указателя стека позволяет реализовать принцип «первым во­шел — последним вышел».

В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в об­ратном порядке. На этом свойстве построена система арифметичес­ких преобразований информации, известная под названием «логика Лукашевича».

Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обра­щение к ней осуществляется по специальной маске, которая содержит поисковый образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. На­пример, если в такую память записана информация, содержащая дан­ные о месте жительства (включая город), и необходимо найти сведе­ния о жителях определенного города, то название этого города поме­щается в маску и дается команда «Чтение» — из памяти выбираются все записи, относящиеся к заданному городу.

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов испол­няемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно помес­тить в маску необходимый адрес, если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необхо­димо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время, так как обращение к СОЗУ требует в 2 — 10 раз меньше времени, чем обращение к ОП.

Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора (так называемая «кэш-память I уровня») или выполнена в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш-память, или кэш-память II уровня). Встро­енная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объем око­ло 16 Кбайт, время доступа— 5 — 10 не, работает с 32-битовыми словами и при частотах 75 — 166 МГц обеспечивает пропускную спо­собность от 300 до 667 Мбайт/с. Внешняя кэш-память (II уровня) име­ет объем 256 Кбайт — 1 Мбайт, время доступа — 15 не, работает с 64-битовыми словами и при частоте 66 МГц обеспечивает максималь­ную пропускную способность 528 Мбайт/с. Конструктивно исполня­ется либо в виде 28-контактной микросхемы, либо в виде модуля рас­ширения на 256 или 512 Кбайт.

Дата добавления: 2015-06-26