Л5 Память ЭВМ

ЭВМ и ПУ Лекция 6

Щемелева Т.К.

ЛЕКЦИЯ 5. ПАМЯТЬ ЭВМ.

Новые понятия: : время доступа к ЗУ; длительность цикла ЗУ; адресное

ЗУ; ассоциативное ЗУ; буферное ЗУ (буфер); стековое ЗУ (стек); вершина стека; дно стека; кэш; статический и динамический запоминающий элемент (ЗЭ); RAM; SRAM; DRAM; ROM; PROM; EPROM; флэш-память;

Основные вопросы: 1.Основные параметры и характеристики

запоминающих устройств (ЗУ). 2. Многоуровневая структура памяти. 3.Типовые структуры ЗУ: Адресное ЗУ. Ассоциативное ЗУ. Буферное ЗУ. Стековое ЗУ. 5.Типы микросхем адресных ЗУ.

В запоминающем устройстве (ЗУ), называемом также устройстве памяти, могут выполняться 2 операции: запись и чтение. При записи в ячейку хранимое в ней машинное слово удаляется и на его место помещается слово с ШД. При чтении ячейки слово выставляется на ШД и сохраняется в той же ячейке.

Понятия ячейка памяти, машинное слово (слово), адрес ячейки (слова) были определены ранее в лекции по ЭВМ фон Неймана. Любое ЗУ состоит из набора (массива) ячеек. Каждая ячейка состоит из m однотипных электронных схем - запоминающих элементов (ЗЭ), каждый из которых хранит один двоичный разряд слова.

5.1. Основные параметры и характеристики ЗУ

1.Емкость ЗУ – количество информации, которое может храниться в ЗУ. Измеряется в битах либо в байтах, но чаще - в более крупных единицах, отличающихся от минимальных в К = 210 = 1024, М =220 , Г =230 , Т=240 раз.

2.Быстродействие ЗУ – оценивается несколькими параметрами в т. ч.:

временем доступа – интервалом от момента поступления адреса до записи машинного слова с ШД в ЗУ или чтения его из ЗУ на ШД;

длительностью цикла ЗУ или периодом обращения – минимальным временем между двумя обращениями к ЗУ;

3. Энергонезависимость ЗУ - способность ЗУ сохранять информацию при отсутствии электропитания.

4.Стоимость – принято оценивать стоимостью хранения одного бита

информации.

5.Типовая структура ЗУ. По способам обращения к хранимой информации

различают 4 типа логической организации	(структуры) ЗУ: адресное,
ассоциативное, буферное, стековое.

5.2. Многоуровневая структура памяти

Для памяти ЭВМ характерен иерархический (многоуровневый) принцип построения. Память ЭВМ состоит из нескольких видов связанных (ЗУ). Наличие

1

ЭВМ и ПУ Лекция 6

Щемелева Т.К.

нескольких видов ЗУ и существующие связи между ними определены их зависимостью от электропитания, стоимостью, быстродействием и емкостью.

Основными видами ЗУ в ЭВМ являются:

1.СОЗУ - сверхоперативное запоминающее устройство или регистровое ЗУ (РЗУ). Используют для хранения небольших объѐмов информации. СОЗУ имеют малое время чтения/записи. СОЗУ обычно введены в состав МП, строятся на регистрах и поэтому являются энергозависимыми.

2.ОЗУ (RAM) – оперативное ЗУ, предназначенное для хранения инструкций МП, операндов и результатов. Как и СОЗУ, работает при включѐнном электропитании ЭВМ в режимах записи, чтения и хранения информации. Время чтения/записи машинного слова больше, чем в СОЗУ. В ПЭВМ семейства IBM PC для управления ОЗУ служит контроллер ОЗУ, о котором подробности – далее.

3.ПЗУ (ROM)– постоянное ЗУ, содержащие информацию, которая не может изменяться в ходе выполнения процессором текущей программы, например стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ до запуска программы или даже ЭВМ. Т.е. типовыми режимами ПЗУ являются чтение и хранение. Данные в ROM могут быть изменены не во всех типах микросхем, и только с помощью специального устройства – программатора при выполнении специальной программы ЭВМ.

4.ВЗУ – внешнее ЗУ. ВЗУ являются относительно медленными устройствами, часто с элементами механического типа. ВЗУ при помощи контроллера ВЗУ связывается с ядром ЭВМ через системную магистраль. ВЗУ - дешѐвая и энергонезависимая память большой емкости.

5.ПЗУ УУ – специальная (служебная) память, входящая в состав блока УУ МП, хранящая микропрограммы каждой отдельной инструкции. Загружается микропрограммами разработчиком МП.

Согласованная работа всех уровней памяти в ПЭВМ обеспечивается под управлением программ ОС.

Иерархическая структура памяти приведена на рис. 5.1. Как показано на рисунке, по мере перехода от верхних уровней иерархии к нижним наблюдается следующее изменение характеристик ЗУ:

-снижается относительная стоимость хранения информации;

-повышается емкость отдельного модуля;

-увеличивается время доступа к информации;

Дополнительный уровень иерархической структуры памяти образует КЭШпамять, являющаяся более быстрым ЗУ и дублирующая часто используемую информацию более медленного (по сравнению с КЭШ) ЗУ, т.е. хранимую в памяти более низкого уровня. На рис. 5.1. такие более медленные ЗУ показаны ниже КЭШ ЗУ. КЭШ может состоять также из нескольких уровней, например, двух уровней, как показано на рис. 5.1. Быстродействие КЭШ-памяти верхнего уровня выше, чем у КЭШ предшествующего уровня. КЭШ–память уменьшает среднестатистическое время доступа к информации. Подробнее организация и

2

ЭВМ и ПУ Лекция 6

Щемелева Т.К.

работа КЭШ-памяти на примере КЭШ 1-го уровня рассмотрена в следующей лекции.

Рисунок 5.1.- Иерархия памяти ЭВМ

5.3. Типовые структуры запоминающих устройств 5.3.1. Адресное ЗУ

По такой структуре построены ОЗУ и ПЗУ, а также специальная память CMOS в ПЭВМ с бесперебойным электропитанием от электроэлементов, а не от электросети. Поиск информации в ЗУ адресного типа осуществляется по реальному (физическому) номеру (адресу) ячейки, хранящей одно m- разрядное машинное слово. При каждом обращении к ЗУ по шине адреса (ША) передаѐтся адрес ячейки. Максимальная ѐмкость ЗУ определяется числом хранимых машинных слов, умноженных на разрядность одного слова. Если количество линий ША обозначить через n, то количество машинных слов, имеющих

неповторяющиеся адреса, определяется как 2n, а ѐмкость памяти - как 2n * m. Например, в ПЭВМ на базе МП Pentium ША содержит 32 линии, поэтому объѐм ОЗУ равен 4Г машинных слов, но адресовать можно каждый байт памяти, независимо от формата операндов текущей программы или команды, поэтому емкость ОЗУ можно считать равной 4Гбайт. Разные типы адресных ЗУ и их структурные схемы рассмотрим позднее.

Существует множество видов ЗУ адресного типа, рассмотренных далее в лекции.

5.3.2. Ассоциативное ЗУ

Поиск информации в ассоциативных ЗУ происходит не по адресу, а по признаку, содержащемуся в самой хранимой информации. На рис. 5.2. представлена структура ассоциативного ЗУ.

3

ЭВМ и ПУ Лекция 6 Щемелева Т.К.

В ЗУ с к-разрядной ШД признак может занимать не более к разрядов хранимого слова. Для исключения не участвующих в поиске разрядов двоичного кода используются схемы маскирования М1 и М2. До начала поиска в регистр ассоциативного признака загружается признак поиска, разрядностью не более к бит и настраиваются схемы маскирования. Поиск информации по признаку заключается в поочередном сравнении содержимого запоминаемого массива с признаком поиска. В зависимости от задачи один из выходов схемы сравнения управляет выдачей результата из Блока ЧТ. При этом на ШД могут выдаваться только немаскируемые схемой М3 разряды.

Режим записи выполняется между циклами чтения обычным для адресного ЗУ способом и на рис. 5.2. не показан.

Рисунок 5.2. -Архитектура ассоциативного ЗУ

5.3.3. Буферное ЗУ

Буферное ЗУ наиболее часто используется в МП и контроллерах разного назначения, поэтому его запоминающие структуры называют скорее регистрами, чем ячейками. Запись информации в массив регистров происходит по шине DI всегда в одну и ту же ячейку, называемую вершиной буфера, считывание – по шине DO всегда из другой ячейки, называемой дном буфера, как показано на рис. 5.3. Если размер массива регистров n, то буфер задерживает (сохраняет) слово, загруженное в вершину буфера на n-тактов. Поэтому режим работы буфера описывается так: «первым пришѐл в буфер, первым ушѐл из буфера» (FIFO). В портах ЭВМ часто применяется буферная память размером в одну строку,

превращаясь в буферный регистр.

Есть две основные схемотехнические реализации буфера. По одной из них буфер строится как память безадресного типа, т.е. любой регистр связан с двумя

4

ЭВМ и ПУ Лекция 6

Щемелева Т.К.

соседними регистрами внутренними шинами данных. Любое записанное слово перемещается от вершины к дну через весь массив регистров. Другая реализация основана на работе буфера как памяти адресного типа, использующей программно недоступный регистр указатель адреса буфера. Содержимое регистра-указателя изменяется автоматически – инкрементируется или декрементируется - в зависимости от выполненной операции (записи-чтения).

Рисунок 5.3.- Буферное ЗУ

5.3.5. Стековое ЗУ

Стек, в отличии от буферной памяти работает в режиме «первым пришѐл – последним ушел» (FILO). Ячейка с первой записью называется дном стека, а ячейка, в которую была произведена последняя запись, называется вершиной стека. Чтение машинного слова всегда производится из вершины стека, а запись - в свободную ячейку, следующую за вершиной стека. Принцип работы стека

показан на рис. 5.5.		7	0
	Зп			Чт

Рисунок 5.5. - Стековое ЗУ.

В ПЭВМ IBM PC в качестве стека используется часть ОЗУ. Указателем стека служит специальный регистр МП. Содержимое регистра-указателя изменяется автоматически – инкрементируется при чтении слова и декрементируется при записи слова.

5.5. Типы микросхем адресных ЗУ

По типу ЗЭ делят на статические и динамические. В качестве статических ЗЭ применяют триггеры: один триггер для хранения одного бита. В динамических ЗЭ используется монтажная емкость (конденсатор) в структуре полупроводникового кристалла микросхемы ЗУ. Принято считать, что динамический ЗЭ хранит логическую единицу, если конденсатор заряжен до максимума. Хранению нуля соответствует разряженный конденсатор. Так как

5

ЭВМ и ПУ Лекция 6

Щемелева Т.К.

конденсатор, хранящий единицу, со временем разряжается, для сохранения логической единицы его необходимо периодически подзаряжать.

Классификация микросхем адресных ЗУ приведена на рис. 5.5.,

Рисунок 5.5 - . Классификация типовых микросхем адресных ЗУ

где:

RAM - (Randov Access Memory) - память с произвольным доступом,

т.е.доступом к любой ячейке за одинаковое время и возможностью выполнения операций записи и чтения.

SRAM – RAM на статических ЗЭ;

DRAM - RAM на динамических ЗЭ;

SDRAM -один из видов микросхем DRAM - синхронная DRAM, в которой адресные и управляющие сигналы синхронизируются тактовыми импульсами системной шины.

ROM – (Rom Only Memory) - память с произвольным доступом, но

возможностью выполнения только чтения: запись информации осуществляется в процессе изготовления микросхемы.

PROM - программируемая ROM (запись осуществляется пользователем 1 раз).

EPROM и - EЕPROM - ROM, запись в которые осуществляется пользователем многократно с помощью специальных микросхем, которые называются программаторами. Перед записью необходимо стирание хранимой информации.

Флэш-память – похожа на EЕPROM, но стирание выполняется очень быстро и не байтами, а блоками или полностью.

Список рекомендуемой литературы.

1.Цилькер Б.Я. , Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем.-Спб.: Питер,

2005.-668 с. Гл.5.

2.Максимов Н.В. Партыка Т.Л. и др. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2005,-512 с. § 2.4

Контрольные вопросы и задания

1.Какие операции включает понятие «обращение к памяти».

2.Какие единицы измерения используются для указания емкости (размера) памяти.

6

ЭВМ и ПУ Лекция 6

Щемелева Т.К.

3.Какими параметрами характеризуется каждый уровень в иерархической структуре памяти.

4.В чем заключается эффект применения кэш-памяти.

5.В чем назначение схемы маскирования 3 на рис. 5.2.

6.Какой размер имеет ассоциативное ЗУ с 512 ячейками разрядностью 64 бита. Указать в байтах.

7.Какой размер имеет адресное ЗУ с разрядность ШД 64 бита, а ША –32 бита. Указать в байтах.

8.Указатель стека содержит адрес, равный 300. Определите адрес ячейки, в которую будет происходить запись и адрес ячейки, из которой будет

происходить считывание.
9. По книге [1, Гл.5, сю230-232] изучите	особенности ОЗУ для

видеоадаптеров. В чем отличия ОЗУ для видеоадаптеров от ОЗУ программ и данных ЭВМ.

10.В какие типы микросхем, используемых для построения памяти, нельзя в ходе выполнения прикладной программы сохранить результат текущей команды.

11.Что такое флэш – память.

12.Нарисуйте временные диаграммы передачи адреса по ША на адресные статические ЗУ линейной и матричной структуры; ЗУдинамического типа. Сравните их.

13.Какое из трех типов ЗУ, названных в вопросе 12, быстрее выполнит команду обращения МП.

14.Составьте обобщенную структурную схему ЗУ адресного типа.

7