Классификация полупроводниковых ЗУ.
По способу доступа к данным ЗУ подразделяют на три типа:
· адресные ЗУ;
· ЗУ с последовательным доступом;
· ЗУ с ассоциативным доступом.
Классификация ЗУ приведена на рис.5.1
Адресные ЗУ. Чтобы обратиться к ячейке адресного ЗУ для чтения или записи информации, необходимо указать адрес этой ячейки. Эти ЗУ лежат в основе постоянной и оперативной памяти всех ЭВМ и вычислительных устройств, построенных на базе микропроцессоров, в частности, устройств числового программного управления станков (УЧПУ).
Адресные ЗУ по характеру и использованию записанной информации делятся на:
Оперативные ЗУ (ОЗУ), английские синонимы (RAM (Random Access Memory), или ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой). К оперативным ЗУ относятся запоминающие устройства с относительно кратковременным хранением часто сменяющейся информации. В процессе работы информация в них периодически заносится и считывается. Запоминающие элементы ОЗУ, как правило, не обладают энергонезависимостью.
 |
|
| |||||
| |||||
 |
Рис.5.1. Классификация запоминающих устройств
Постоянные ЗУ (ПЗУ) английский эквивалент ROM (Read Only Memory). В процессе работы вычислительного устройства содержимое ПЗУ не изменяется. Процессор вычислительного устройства из этой памяти может лишь прочитать данные или очередные команды программы. Отсюда буквальный перевод английского названия этого вида ЗУ — «память только для чтения». На основе этого вида ЗУ изготавливается постоянная память вычислительных устройств. Информация в микросхему ЗУ заносится либо в процессе ее производства, либо пользователем в специальном режиме программирования.
ЗУ с последовательным доступом используются там, где поступающие данные могут быть выстроены в очередь. Очередь может обслуживаться либо по принципу «первый пришел — первый ушел» — FIFO (first in first out), либо «последний пришел — первый ушел» — LIFO (last in first out), т.е. запись данных осуществляется не по какому-либо адресу, а в конец очереди, а чтение — либо из конца, либо из начала очереди. ЗУ с последовательным доступом могут использоваться, например, в видеопамяти, обеспечивающей хранение данных о цвете и яркости каждой точки экрана монитора.
В ЗУ с ассоциативным доступомпоиск информации осуществляется не по адресу ячейки и не по месту в очереди, а по некоторому признаку. Отсюда в их названии присутствует слово «ассоциация». Наиболее важной областью использования ассоциативных ЗУ является КЭШ-память ЭВМ.
Запоминающее устройство состоит:
· из запоминающего массива;
· электронного обрамления.
Запоминающий массив (накопитель) содержит запоминающие элементы (ЗЭ), каждый из которых может принимать состояния лог.1 или лог.0, т. е. хранить один бит информации. (Бит — минимальное количество информации, соответствующее одному из двух равновероятных событий.) В запоминающем элементе хранится один разряд записанного двоичного слова; все n-разрядное слово заносится в ЗЭ, составляющих ячейку памяти.
Электронное обрамление ЗУ содержит, в частности, внутренний дешифратор адреса и усилители записи и считывания. Код адреса (номер запоминающей ячейки), поступающий на входы дешифратора, возбуждает один из его выходов: этим разрешается запись слова в определенные ЗЭ или считывание из них.
По способу объединения ЗЭ в накопителе различают словарную и одноразрядную организацию ОЗУ. При одноразрядной организации в микросхему ОЗУ можно записать один разряд каждого слова, а для записи многоразрядного слова используется столько микросхем, какова разрядность слова. При словарной организации обмен с ОЗУ осуществляется сразу всем словом.
По типу ЗЭ ОЗУ делят на статические и динамические. Статическим ЗЭ является триггер, динамическим — емкость между элементами МОП-транзистора. Заряд этой емкости соответствует одному состоянию ЗЭ, отсутствие заряда — другому состоянию. Поскольку емкость постоянно разряжается, то динамическая память нуждается в систематической регенерации (восстановлении), осуществляемой специальным устройством — контроллером регенерации с периодом в несколько миллисекунд. В ряде случаев этот недостаток компенсируется большим достижимым объемом памяти в кристалле и значительно меньшим потреблением энергии по сравнению со статическими ОЗУ, но и меньшим быстродействием.
В статических ЗУ запоминающими элементами являются триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В динамических ЗУ информация хранится в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-транзисторов, и для одного ЗЭ достаточно одного транзистора. Поэтому емкость динамических ЗУ в несколько раз превышает емкость статических. Статические ЗУ называются SRAM (Static RAM), а динамические — DRAM (Dynamic RAM).
Статические ОЗУ можно разделить на:
· асинхронные;
· тактируемые (синхронные);
· конвейерные.
В асинхронных сигналы управления могут задаваться как импульсами, так и уровнями. Например, сигнал разрешения работы CS может оставаться неизменным и разрешающим на протяжении многих циклов обращения к памяти.
В тактируемых ЗУ сигнал разрешения работы CS в каждом цикле обращения к памяти должен переходить из пассивного состояния в активное, т.е. должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле. Этот тип ЗУ называют также синхронным.
В конвейерных ЗУ тракт передачи данных реализован по конвейерному принципу. Конвейер работает с тактовой частотой процессора. Это позволяет повысить темп передачи данных в несколько раз.
Так как динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью, именно они используются как основная память ЭВМ. Разработаны многочисленные схемы повышенного быстродействия.
Статические ЗУ в 4-5 раз дороже динамических и во столько же раз меньше по информационной емкости. Их достоинством является более высокое быстродействие, а типичной областью использования схемы КЭШ-памяти.
Постоянные ЗУ делят на:
· масочные (ПЗУ), информация в которые раз навсегда заносится на заводе-изготовителе;
· однократно программируемые пользователем (ППЗУ);
· многократно программируемые (репрограммируемые — РПЗУ).
Масочные (ПЗУ) (постоянная память типа ROM(M)) программируется при изготовлении методами интегральной технологии с помощью одной из используемых при этом масок. Поэтому эти ЗУ называются масочными ПЗУ. Для потребителя это в полном смысле постоянная память, так как изменить ее содержание он не может.
Однократно программируемые пользователем ЗУ (ППЗУ) – это программируемая пользователем память (в английской терминологии ROM в обозначении которой присутствует буква Р (от Programmable)). Для записи информации в ЗЭ подаются специальные электрические сигналы. В ЗУ типа PROM данные могут быть занесены один раз путем прожигания плавких перемычек или, наоборот, за счет создания перемычек путем электрического пробоя.
В ПЗУ типа EPROM и EEPROM имеется возможность стирания старой информации и записи новой, поэтому их называют репрограммируемыми ПЗУ. В EPROM стирание выполняется путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, а в ЕEPROM — электрическими сигналами. Программирование этих разновидностей ROM обычно производится пользователем с помощью специальных приборов — программаторов в лабораторных условиях.
Память типа Flash по запоминающему элементу подобна памяти типа EEPROM, но их отличие — в скорости стирания информации. Чтобы стереть информацию из ПЗУ типа EEPROM, необходимо обратиться к каждой запоминающей ячейке, что требует сравнительно большого времени. В ПЗУ типа Flash вся информация может быть стерта подачей одного сигнала, т.е. мгновенно (flash — вспышка). В некоторых ПЗУ типа Flash весь объем запоминающих ячеек делится на блоки и стирание информации осуществляется поблочно.
ЗУ с последовательным доступом. В ЗУ этого класса записываемые данные образуют очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи, либо в обратном порядке. Моделью такого ЗУ является последовательная цепочка запоминающих элементов, в которой данные передаются между соседними элементами.
Прямой порядок считывания имеет место в буферах FIFO, a также в файловых и циклических ЗУ.
Разница между памятью FIFO и файловым ЗУ состоит в том, что в FIFO запись в пустой буфер сразу же становится доступной для чтения, т.е. поступает в конец цепочки.
В файловых ЗУ данные поступают в начало цепочки и появляются на выходе после некоторого числа обращений, равного числу элементов в цепочке. Записываемые данные объединяются в блоки, обрамляемые специальными символами конца и начала {файлы). Прием данных из файлового ЗУ начинается после обнаружения приемником символа начала блока.
В циклических ЗУ слова доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым емкостью памяти. К такому типу среди полупроводниковых ЗУ относится видеопамять (VRAM).
Считывание в обратном порядке свойственно стековым ЗУ, для которых реализуется принцип «последний пришел — первый ушел». Такие ЗУ называют буферами LIFO.
Ассоциативные ЗУ. ЗУ этого типа реализует поиск информации по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти (адресу или месту в очереди). В наиболее полной версии все хранимые в памяти слова одновременно проверяются на соответствие признаку, например, на совпадение определенных полей слов — тегов (от английского слова tag) с признаком, задаваемым входным словом (теговым адресом). Таким признаком может быть полный адрес ячейки оперативной памяти. (Заметим, что емкость оперативной памяти современных ЭВМ составляет сотни мегабайт, в то время как емкость ассоциативного ЗУ измеряется сотнями килобайт.) На выход выдаются слова, удовлетворяющие признаку. Принцип выдачи слов, если тегу удовлетворяют несколько слов, а также принцип записи новых данных могут быть разными. Основная область применения ассоциативной памяти современных ЭВМ — КЭШ-память данных.