Иерархическая организация зу
Пользователи ЭВМ хотели бы иметь в своем распоряжении ЗУ неограниченной емкости и высокого быстродействия. Несмотря на непрерывное увеличение емкости и быстродействия, эти характеристики с учетом ограничений на стоимость ЗУ остаются противоречивыми. Поэтому в ЭВМ применяют несколько типов ЗУ, организованных по иерархическому многоуровневому принципу (рис.5.3).
Как видно из рис.5.3 в иерархии ЗУ можно выделить четыре основных типа ЗУ: сверхоперативные (СОЗУ), БЗУ типа КЭШ память, ОЗУ и ВЗУ на твердых магнитных дис-
ках (ЗУ ГМД), на гибких магнитных дисках (ЗУ ГМД) и на магнитных лентах (ЗУМЛ). СОЗУ строится на полупроводниковых интегральных схемах - регистрах.
Быстродействие СОЗУ составляет единицу наносекунд. БЗУ служит для временного хранения команд и операндов, интенсивно используемых на текущем этапе решения задач. Буферная память обычно "скрыта" от программиста, он не может ее адресовать и даже не знает об ее существовании. Поэтому такая память получила название Кэш-память (КЭШ от английского САСН - тайник).
Рис.8.3.
При обращении процессора к ОП для считывания, в КЭШ передается блок информации, в котором находится нужное слово. При этом происходит опережающая выборка, т.к. высока вероятность того, что ближайшие обращения будут происходить к словам этого же блока. Это приводит к значительному уменьшению среднего времени, затрачиваемого на выборку данных.
Эффективность КЭШ зависит от ее емкости, размера блока, соотношения времени считывания слова из КЭШ (tКЭШ) и блока из ОЗУ (tОЗУБЛ). Обычно tКЭШ < tОЗУБЛ, и с увеличением частоты обращения КЭШ среднее время, затрачиваемое на выборку слов, уменьшается .
Емкость ОЗУ колеблется в пределах 64-16000 Кбайт, цикл памяти составляет десятки и сотни наносекунд. ОЗУ также как СОЗУ, БЗУ непосредственно взаимодействует в процессе выполнения программ.
Сравнительно небольшая емкость ОЗУ компенсируется практически неограниченной емкостью внешних ЗУ на магнитных дисках и лентах, емкость которых составляет сотни миллионов или миллиарды байт. Однако эти устройства сравнительно медленные, и время обращения за данными для диска составляет десятки миллисекунд, а для лент может достичь десятки секунд. Поэтому вычислительный процесс должен протекать с возможно меньшим числом обращений к ВЗУ и максимально возможным использованием ОЗУ.
Полупроводниковые ЗУ
Полупроводниковые ЗУ с произвольной выборкой. Достижения в развитии полупроводниковых интегральных микросхем привели к созданию БИС полупроводниковых ЗУ. В настоящее время на основе БИС ЗУ строятся управляющая, оперативная память и БЗУ. Разрабатываются полупроводниковые ЗУ для использования их во внешних запоминающих устройствах. Запоминающий элемент в полупроводниковых ЗУ строится на биполярных и МОП транзисторах.
Рис.8.4.
В настоящее время промышленностью изготавливаются два основных типа ЗЭ: статические и динамические. Пример схемы статического ЗЭ на МОП транзисторах показан на рис. 5.7. ЗЭ состоит из триггера, реализованного на транзисторах T5и T6. Транзисторы Т1, T2, Т7и Т8являются управляющими, посредством которых производится выборка ЭП по адресным шинам X (АШХ) и У (АШУ) подачей напряжений Uax, и Uay. Запись кода "0" и "1" осуществляется подачей напряжений Upoи Up1на разрядные шины РШ0и РШ1при наличии напряжений выборки Uaxи Uay. Считывание осуществляется также подачей напряжений выборки Uaxи Uay. Состояние ЭП снимается с РШ0и РШ1. Транзисторы Т3и Т4являются нагрузочными.
Постоянные запоминающие устройства служат для хранения постоянных или редко изменяющихся массивов информации. В ПЗУ в процессе работы осуществляется только считывание хранимой информации. ПЗУ в настоящее время применяются в различных ЭВМ для хранения часто употребляемых констант, стандартных программ, программ-трансляторов и диагностических тестов, наборов микрокоманд (микропрограмм) для управления выполнением различных операций, для реализации преобразователей кодов,
спецвычислителей, генераторов символов и т.п. ПЗУ по сравнению с ОЗУ отличаются высокой надежностью, быстродействием, информационной емкостью, энергонезависи-мостью, т.е. способностью сохранять информацию при отключении питания.
Рис.8.5.
В зависимости от технической реализации существуют ПЗУ следующих типов: трансформаторные; полупроводниковые (транзисторные, диодные). В настоящее время наибольшее распространение получили ПЗУ с транзисторными элементами памяти (биполярными и на МОП транзисторах). ПЗУ на МОП транзисторах имеет высокую плотность компонентов, и время обращения составляет 10-300 нс.
Рис.8.6.
По способу записи информации различают ПЗУ, программируемые маской и программируемые пользователем. В ПЗУ, программируемых маской, информация записывается при изготовлении с помощью фотошаблонов. В ПЗУ, программируемых пользователем, информация записывается пользователем путем выжигания перемычек или пробоем р-п переходов под действием приложенного электрического напряжения или тока. Микросхемы ПЗУ, программируемые пользователем, подразделяются на ПЗУ с одноразовым программированием и репрограммируемые. В ПЗУ с одноразовым программированием информация, записанная в нем,не может меняться, и в режиме выборки происходит только ее считывание. В программируемом ПЗУ информации может быть перезаписана многократно. В настоящее время существуют несколько типов репрограммируемых ПЗУ, где в одних запись и стирание информации производится электрическим способом, а в других запись осуществляется электрическим, а стирание путем облучения ультрафиолетовыми лучами.
На рис. 5.13 показаны диодный и транзисторный элементы памяти ПЗУ. Выбор требуемого ЭП производится подачей сигнала выборки на адресную шину (рис. 5.13а). При этом единичный уровень установится на тех разрядных шинах, которые связаны через диоды с данной адресной шиной. Запись информации в диодные ПЗУ осуществляется выжиганием ненужных диодов. На рис. 5.13б показан элемент памяти на МДП транзисторах!, который выполняется либо с тонким слоем под затвор, либо с толстым, в зависимости от того, какая информация должна храниться в данном элементе. При подаче напряжения на адресную шину, в элементах с тонким слоем под затвор образуется проводящий канал, а в элементах с толстым слоем проводящий канал не образуется.
Сверхоперативные ЗУ
В современных машинах для уменьшения времени на запись и чтение операндов между процессором и ОП или Кэш-памятью включается сверхбыстродействующее ЗУ небольшой емкости, где размещаются слова, наиболее часто используемые в командах программы. Такие ЗУ называют сверхоперативными запоминающими устройствами СОЗУ. Пусть Тсозу и Топ - длительность цикла сверхоперативного и оперативного ЗУ соответственно, Р - вероятность обращения в СОЗУ, тогда среднее время обращения к буферизованной памяти определяется следующей формулой:
T=рTcoзу+(1-P) Топ
Разделив обе части этого выражения на Топ и обозначив =Т/Топ и1=Тсозу/Топ, получим
=1-Р(1+1)
В этой формуле - относительное время обращения к буферизованной памяти, исчисляемое в долях цикла Тозу;1- относительное быстродействие буферного ЗУ. Обычно быстродействие СОЗУ в 4-10 раз больше быстродействия ОП, т.е.1=0,1-0,25.
Рис.8.7
В качестве СОЗУ широко используются ЗУ с прямой, магазинной и ассоциативной адресацией информации. Поскольку принципами работы АЗУ и ЗУ с магазинной адресацией мы знакомы, рассмотрим СОЗУ с прямой адресацией.
Основой для построения СОЗУ являются и разрядные триггерные регистры (рис. 5.20).
Регистры Р [0], ..., Р [М] связаны по входу с шиной X, а по выходу шиной У, по которым передаются n - разрядные слова. На входы дешифратора адреса ДША подается адрес СОЗУ согласно которому производится обращение к определенному регистру с целью записи и чтения слов. Блок конъюкторов чтения (БКЧТ) совместно с ДША пропускает сигнал ЧТЕНИЕ к выходам определенного регистра, обеспечивая передачу содержимого этого регистра на шину У. Блок конъюнкторов записи осуществляет запись слова из шины X в выбранный регистр.