Организация большого объема памяти

Чтобы построить память большого объема, требуются особые приемы, при которых можно обращаться к отдельным словам. Пример организации памяти, которая удовлетворяет этому критерию, показан на Рис. 3.22. Эта память содержит четыре 3-битных слова. Каждая операция считыва­ет или записывает целое 3-битное слово. Хотя общий объем памяти (12 битов) не­намного больше, чем у рассматриваемого 8-разрядного триггера (Рис. 3.21), такая память требует меньше­го количества выводов, и, что особенно важно, подобная организация применима при построении памяти большого объема.

Рис. 3.22. Логическая блок-схема для памяти 4×3. Каждый ряд представляет одно из 3-битных слов. При операции считывания или записи всегда считывается или записывается целое слово

Схема очень проста благодаря своей регулярной структуре. Она содержит 8 входных линий (3 входа для данных – I₀, I₁ и I₂; 2 входа для адресов – А₀ и A₁; 3 входа для управления – CS (Chip Select – выбор элемента памяти), RD (для различия между считыванием и записью) и ОЕ (Output Enable – разрешение выдачи выходных сигналов)) и 3 выходные линии для данных – О₀, O₁ и О₂. Такую память, в принципе, можно поместить в корпус с 14 выводами (вклю­чая питание и «землю»), а 8-разрядный триггер требует наличия 20 выводов.

Чтобы выбрать микросхему памяти, внешняя логика должна установить CS на 1, а также установить RD на 1 для чтения и на 0 для записи. Две адресные линии должны указывать, какое из четырех 3-битных слов нужно считывать или записы­вать.

При операции считывания входные линии для данных не используются. Выбирается слово и помещается на выходные линии для данных.

При операции записи биты, находящиеся на входных линиях для данных, загружаются в выбран­ное слово памяти; выходные линии при этом не используются.

Если напрямую связать вентили ИЛИ с линиями вывода данных, то данная схема будет выводить данные (то есть за­давать каждой линии определенную величину) даже в процессе записи, мешая нормальному вводу данных. По этой причине желательно каким-то образом со­единять вентили ИЛИ с линиями вывода данных при считывании и полностью разъединять их при записи.

Для этого используются буферные элементы, которые содержат вход для данных, выход для данных и вход управления. Когда вход управления равен 1, буферный элемент работает как провод. Когда вход управления равен 0, буферный элемент работает как разомкнутая цепь (Рис. 3.23). Соединение может быть восстановлено за несколько наносекунд, если сделать сигнал управления равным 1.

Рис. 3.23. Буферный элемент без инверсии (а); действие буферного элемента без инверсии, когда сигнал управления равен 1 (б); действие буферного элемента без инверсии, когда сигнал управления равен 0 (в); буферный элемент с инверсией (г)

Преимущество памяти, изображенной на Рис. 3.22, состоит в том, что подобная структура применима при разработке памяти большого объема. Чтобы расширить ее до размеров 4×8 (4 слова по 8 бит), нужно добавить еще 5 колонок триггеров по 4 триггера в каждой, а также 5 вход­ных и 5 выходных линий. Чтобы перейти от размера 4×3 к размеру 8×3, необходимо добавить еще четыре ряда триггеров по три триггера в каждом, а также адресную линию А₃. При такой структуре число слов в памяти должно быть степенью двойки для максимальной эффективности, а число битов в слове может быть любым.

Подведем итоги

• память является необходимым компонентом любого компьютера – она исполь­зуется как для хранения команд, которые нужно выполнить, так и для хранения данных;
• статическая память состоит из защелок и триггеров, каждый из которых может хранить один бит информации;
• защелки и триггеры можно объединять в регистры или законченную память для хранения слов.

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните своими словами, что такое защелка? Назовите основные типы защелок.

2. Объясните своими словами, что такое триггер? Назовите основные типы триггер.

3. Вспомните основное отличие триггеров от защелок. Какой из этих элементов меняет свое состояние быстрее? Объясните почему.

4.

Индивидуальные задания

1. Каково состояние покоя входов S и R SR-защелки, построенной из двух вен­тилей НЕ-И?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Схема на Рис. 3.18 представляет собой триггер, который запускается на на­растающем фронте синхронизирующего сигнала. Измените эту схему так, чтобы получить триггер, который запускается на заднем фронте син­хронизирующего сигнала.

3. В памяти 4х3, изображенной на Рис. 3.22, используется 22 вентиля И и три вентиля ИЛИ. Сколько потребуется вентилей каждого из двух типов, если схему расширить до размеров 256х8?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. С увеличением объема памяти, помещаемой на одну микросхему, число вы­водов, необходимых для обращения к этой памяти, также увеличивается. Придумайте способ обращения к 2ⁿ словам памяти при наличии меньшего количества выводов, чем n.

Тема 3.4. ОЗУ и ПЗУ

В результате изучения данной темы Вы будете:

• понимать, что такое ОЗУ, ее типы и принципы устройства;
• понимать, что такое ПЗУ, ее типы и принципы устройства.

Все виды памяти, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одно общее свой­ство: в них можно и записывать информацию, и считывать ее. Такая память назы­ваетсяОЗУ(оперативное запоминающее устройство). Существует два типа ОЗУ:

статическое и динамическое.

Статическое ОЗУ конструируется с использовани­ем D-триггеров. Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание: секунды, минуты, часы и даже дни. Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-па­мяти.

В динамическом ОЗУ, напротив, триггеры не используются. Динамическое ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженны­ми, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (пе­резаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку дан­ных. Поскольку об обновлении должна заботиться внешняя логика, динамическое ОЗУ требует более сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток компенсируется большим объемом.

Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), дина­мическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микро­схему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динами­ческих ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств.

ОЗУ – не единственный тип микросхем памяти. Во многих случаях данные должны сохраняться, даже если питание отключено. Более того, после установки ни про­граммы, ни данные не должны изменяться. Эти требования привели к появлению ПЗУ(постоянных запоминающих устройств), которые не позволяют изменять истирать хранящуюся в них информацию (ни умышленно, ни случайно). Данные записываются в ПЗУ в процессе производства. Для этого изготавливается трафарет с определенным набором битов, который накладывается на фоточувствительный материал, а затем открытые (или закрытые) части поверхности вытравливаются. Единственный способ изменить программу в ПЗУ – поменять целую микросхему.

Чтобы компаниям было проще разрабатывать новые устройства, основанные на ПЗУ, были выпущены программируемые ПЗУ. В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях эксплуата­ции. Такие ПЗУ содержат массив крошечных плавких перемычек – пережигая их, на ПЗУ заносят информацию.

Следующая разработка этой линии –стираемое программируемое ПЗУ, ко­торое можно не только программировать в условиях эксплуатации, но и стирать с него информацию. Если кварцевое окно в данном ПЗУ подвергать воздействию сильного ультрафиолетового света в течение нескольких минут, все биты установятся на 1. Если нужно сделать много изменений во время одного этапа проектирования, сти­раемые ПЗУ гораздо экономичнее, чем обычные программируемые ПЗУ, поскольку их можно использовать многократно.

Следующий этап –электронно-перепрограммируемое ПЗУ, с которого мож­но стирать информацию, прилагая к нему импульсы, и которое не нужно для этого помещать в специальную камеру, чтобы подвергнуть воздействию ультрафиоле­товых лучей. Кроме того, чтобы перепрограммировать данное устройство, его не нужно вставлять в специальный аппарат для программирования, в отличие от сти­раемого программируемого ПЗУ. Но с другой стороны, самые большие электрон­но-перепрограммируемые ПЗУ в 64 раза меньше обычных стираемых ПЗУ, и ра­ботают они в два раза медленнее. Электронно-перепрограммируемые ПЗУ не могут конкурировать с динамическими и статическими ОЗУ, поскольку они работают в 10 раз медленнее, их емкость в 100 раз меньше и они стоят гораздо дороже. Они используются только в тех ситуациях, когда необходимо сохранение информации при выключении питания.

Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ –флэш-па­мять. В отличие от стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультра­фиолетовых лучей, и от электронно-программируемого ПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками. Как и любое элект­ронно-перепрограммируемое ПЗУ, флэш-память можно стирать, не вынимая ее из микросхемы. Она используются для хранения изоб­ражений в цифровых камерах и для других целей. Основной технической проблемой в данный момент является то, что флэш-память изнашивается после 10000 стираний.

Подведем итоги

• память, в которую можно записывать и считывать информацию называется – оперативной памятью (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ); такая память хранит информацию, пока к нему подается питание;
• память, из которой можно только считывать информацию называется – постоянной памятью (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ); такая память может хранит информацию и при отключенном питании;
• ОЗУ и ПЗУ делятся на различные типы по их устройству и принципам работы.

Вопросы для самоконтроля

1. Из каких соображений в качестве оперативной памяти в основном используется более медленное динамическое ОЗУ?

2. Назовите основное отличие ПЗУ от ОЗУ.

3. Вы решили выпустить новый бытовой прибор со встроенным микрокомпьютером. Какую память вы используете для программы и данных микрокомпьютера? Допускаете ли Вы возможность комбинации ОЗУ и ПЗУ? Объясните почему.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: