Класифікація напівпровідникових запам’ятовувальних пристроїв

Велике різноманіття існуючих на цей час напівпровідникових ЗП можна класифікувати за наступними ознаками.

За виконуваними функціями розрізняють оперативні, постійні та зовнішні ЗП.

ОЗП використовуються у тих випадках, коли необхідно постійно записувати та читати інформацію відповідно до високого темпу роботи цифрового пристрою. Цілком зрозуміло, що саме такою інформацією для МП є дані, команди програми, адреси операндів, які потрібні для розв’язання поточної задачі.

Таким чином, ОЗП – це пам’ять комп’ютера, призначена для зберігання даних, адрес та програм, які використовує комп’ютер в даний момент часу. У комп’ютері ОЗП використовують як для зберігання програм і даних користувача, так і для зберігання програм і даних, які забезпечують власне функціонування самої обчислювальної машини. Сукупність останніх отримала назву операційної системи.

ПЗП призначені для зберігання певної одноразово записаної до них інформації, яка має зберігатися навіть за умов знеструмлення комп’ютера. Такою інформацією є дані і програми, потрібні для завантаження операційної системи та керування роботою зовнішніх пристроїв комп’ютера.

Звідси, ПЗП запам’ятовувальний пристрій – це пам’ять комп’ютера, призначена для зберігання службових програм і даних, які не можуть бути змінені у процесі його роботи.

ОЗП і ПЗП у сукупності утворюють внутрішню пам’ять ЕОМ, яка є напівпровідниковою, побудованою з використанням біполярних та МОН транзисторів. Ці пристрої використовують властивість деяких електронних схем необмежений час знаходитись у одному з двох стійких станів (логічні 0 або 1) або зберігати певний електричний заряд як ознаку запису у ЗП одного біта інформації.

Зовнішні ЗП утворюють зовнішню пам’ять, що може розглядатися як архівна пам’ять, призначена для довготермінового зберігання великих масивів інформації.

Для сучасних ЗП характерні такі риси:

1. Ієрархічна побудова;

2. Системна гнучкість;

3. Модульна архітектура;

4. Висока інформаційна ємність та швидкодія.

Основною рисою принципу ієрархічної побудови системи пам’яті ЕОМ, який ілюструється рисунком 4.1, є те, що пам’ять вищого рівня є більш швидкодіючою, але ж одночасно має менший інформаційний об’єм.

Рис. 4.1. Ієрархічний принцип побудови пам’яті ЕОМ

Найбільш швидкодіюча є регістрова пам’ять, тому що процесор в циклах читання/запису даних звертається до цієї пам’яті без виставлення адреси на шину адреси.

Взаємодія МП з ОЗП здійснюється із використанням проміжної, так званої буферної або кеш (Cache) - пам’яті, яка поділяється на внутрішню, що працює на частоті ядра МП, рівнів L1 (має окрему пам’ять для команд і даних) та L2 і зовнішню кеш-пам’ять рівня L3, яка функціонує на частоті системної шини. Більша швидкодія кеш-пам’яті в порівнянні з ОЗП пояснюється різною технологією виготовлення елементів пам’яті.

Під системною гнучкістю розуміється те, що ЗП зберігають своє функціональне призначення і характерні особливості в обчислювальній системі будь-якої архітектури.

ЗП будуються у вигляді функціонально і електрично закінчених модулів, що дозволяє нарощувати інформаційну ємність системи пам’яті ЕОМ шляхом збільшення кількості модулів, підвищує надійність і ремонтопридатність та спрощує і здешевлює модернізацію обчислювальної техніки.

За способом розміщення інформації ЗП поділяються на:

1. Адресні ЗП;

2. Безадресні ЗП.

ЗП з адресною організацією для запису і зчитування інформації використовують адресу (номер) комірки пам’яті. У безадресних ЗП застосовують або певний порядок запису і зчитування (стекова пам’ять), або асоціативну ознаку вмісту комірки пам’яті (кеш-пам’ять).

За доступом до інформації розрізняють такі типи ЗП:

1. ЗП з довільним доступом до інформації;

2. ЗП з послідовним доступом до інформації.

Довільний доступ до інформації передбачає можливість прямого безпосереднього звернення до будь-якої комірки пам’яті не залежно від місця її розташування у ЗП. Необхідно також зазначити, що при цьому час, потрібний для такого звернення теж не залежить від місця розташування відповідної комірки у масиві пам’яті.

Послідовний доступ передбачає можливість звернення до комірок пам’яті тільки у порядку черги, тобто для запису чи читання будь-якої комірки потрібно перш за все „перегорнути” усі попередні комірки. Такий спосіб звернення реалізовують, наприклад, в стековій та відеопам’яті.

Основними показниками ЗП є:

1. Інформаційна ємність – визначає максимальну можливу кількість збережених одиниць інформації. Вона вимірюється у кілобайтах (1Кбайт = 1024 байт), мегабайтах (1Мбайт = 1024 Кбайт), гігабайтах (1Гбайт = 1024 Мбайт) та терабайтах (1Тбайт = 1024 Гбайт). Для мікросхем пам’яті цей параметр записується, як правило у вигляді добутку глибини адресного простору (Depth Adress) на кількість ліній введення-виведення (розрядів). Наприклад, ємність мікросхеми пам’яті, яка має глибину адресного простору 1 Мбайт та 8 ліній введення-виведення (8-розрядна шина введення-виведення), складає 8 Мбайт. Така мікросхема позначається .

2. Розрядність пам’яті - визначає діапазон чисел, розміщених у комірках. Найбільш розповсюджена на даний момент розрядність – 64 та 128. Цей показник тісно пов’язаний з розрядністю шини даних процесора, адже саме по цій шині інформація з пам’яті надходитиме до нього на обробку.

3. Швидкодія пам’яті - характеризує витрати часу на занесення даних до неї (запис) або на отримання їх назад (читання).

4. Часові параметри, до яких належать:

- час зчитування – інтервал між моментами появи сигналу читання і вихідних даних;

- час запису - інтервал між моментами появи сигналу запису і зміною стану комірки пам’яті у відповідності до вхідних даних;

- час звернення (циклу) - інтервал часу між початками (закінченнями) сигналів на одному з керуючих входів, протягом якого виконується одна із функцій (запис, зчитування, регенерація);

- час вибірки – час від подачі сигналу запису або читання до завершення відповідної операції;

- часові параметри, що характеризують взаємний зсув сигналів.

5. Ширина вибірки – визначається кількістю інформації, записаної або зчитаної за одне звернення.

6. Швидкість обміну інформацією – визначається кількістю одиниць інформації, переданих за одиницю часу між ЗП та іншим пристроєм ЕОМ.

7. Часова діаграма - характеризує кількість тактів, які необхідні процесору для виконання операцій запису або зчитування даних.

Основні структури запам’ятовувальних пристроїв

Багаточисельні варіанти адресних ЗП мають багато спільного з точки зору структурних схем. Тому доцільно розглянути узагальнені структури з наступним описом ЕП для різних типів ЗП.

ЗП з довільним зверненням найчастіше мають адресну організацію, яка ілюструється рисунком 4.2. Масив елементів пам’яті ЗП об’єднаний в матрицю, що складається з L комірок із k ЕП, в яких розміщуються k-розрядні слова. Кожній комірці масиву пам’яті привласнена адреса, якою є її номер. Для адресації усіх комірок масиву необхідно мати адресний код довжиною N = log₂L розрядів, тобто кількість комірок пам’яті дорівнює 2^N.

Запис вхідних даних (DI - Data Input) і читання вихідних даних (DO ‑ Data Output) визначеної розрядності відбувається за наявністю сигналів керування: CLK – синхроімпульсів, R/W (Read/Write) – читання/запису, CS (Chip Select) – вибору мікросхеми та деяких інших, призначення яких визначається специфікою ЗП.

Рис. 4.2. Структурна схема адресного запам’ятовувального пристрою

У структурі 2D масив елементів пам’яті ЗП (рис. 4.3) вміщує 2^N комірок по k розрядів (матриця з 2^N рядків і k стовпців). Звертання до відповідної комірки (рядка матриці) відбувається за допомогою дешифратора, який у відповідності до поданої N розрядною адресою активізовує одну з вихідних ліній, дозволяючи доступ до всіх ЕП комірки. ЕП одного стовпчика з’єднані внутрішньою лінією даних і зберігають однойменні біти усіх кодових слів. Напрямок обміну визначається підсилювачами читання/запису під дією сигналу R/W.

Рис. 4.3. Структурна схема ЗП типу 2D

Основним недоліком такого ЗП є надмірне ускладнення дешифратора адреси, що долається в наступній структурі – 3D, поданій на рисунку 4.4. Адреса розрядністю N подається у вигляді двох складових на окремі дешифратори. ЕП розташовані у вигляді прямокутної матриці, у якій положення кожного з них визначається двома координатами: Х - номер рядка та Y - номер стовпчика. Така побудова дозволяє у 2^N/2 рази зменшити кількість виходів дешифратора адреси в порівнянні із структурою 2D.

Рис. 4.4. Структура схема ЗП типу 3D

Д ля багаторозрядної організації ЗП даної структури, матриці ЕП, кількість яких дорівнює розрядності кодових слів, поєднуються паралельно відносно двох дешифраторів, як показано на рисунку 4.5.

У

Рис. 4.5. Структура схема багаторозрядного

ЗП типу 3D

наступній структурі – 2DМ (рис. 4.6) поєднуються переваги вищерозглянутих структур ― спрощується дешифрація адреси і не потрібні ЕП з двокоординатною вибіркою. Дешифратор вибирає цілий рядок, але на відміну від структури 2D довжина рядка перевищує розрядність кодових слів. Для вибору рядка використовується частина адреси (А_р - А_N-1), а решта розрядів (А₀ - А_р-1), які подаються на входи мультиплексорів, необхідні для вибірки потрібного k-розрядного слова із множини 2^р слів, які є в рядку. Для організації ЗП із операціями читання/запису в даній структурі використовують двонапрямлені буфери даних, які виконують функції мультиплексування і зміни напрямку передавання даних.

Рис. 4.6. Структура схема ЗП типу 2DМ