5.11. Память мікропроцесорів та опереції з нею
Пам’ять МП – це велика інтегральна схема ВІС (пристій), яка забезпечує зберігання команд та даних (рис. 5.7). Пристрій пам’яті будується у вигляді матриці і складається із блоків однакового розміру – так званих комірок пам’яті (запам’ятовуючих елементів ЗЕ), в яких зберігається інформація в двійковому коді, як правило довжиною або 1 байт, або довжиною в слово – 2 байта, або ще більше, що залежить від типу процесора. Тобто, пристрій пам’яті будується так, що за одною адресою зберігається блок із 8 чи 16 – ти, 32-х одно розрядних
комірок.
Рис.5.7 Рис. 5.8
Основними операціями з пам’яттю є запис –занесення інформації до пам’яті (рис. 5.8,а) та зчитування (рис.5.8,б)– вибірка інформації із пам’яті, які називаються зверненням до пам’яті. Шина адреси – це дроти А0…А7 (рис.5.7), по яким передається код адреси. Останній задає номер комірки пам’яті до якої звертаються. На рис. 5.7 показана ВІС памяті на 256 байт (шина адреси має 8 розрядів і дозволяє звертатись по 256-ти адресам з інформацією на виходах D0…D7 по 8-м біт).
Якщо потрібно записати в пам’ять слово (рис. 5.8,а), то спочатку подають на шину адреси код, який відповідає адресі комірки пам’яті, де буде записане це слово. Потім на шину даних необхідно подати саме слово і нарешті видати сам керуючий сигнал запису (WR) по лінії керування на запис у ВІС памяті. При читанні інформації із пам’яті (рис. 5.8,б) на шину адреси подають код, який відповідає адресі комірки пам’яті, яка буде прочитана, та видають керуючий сигнал читання (RD) по лінії керування на читання. Після цього інформація з’являється на шині даних.
Як правило, пам’ять, в загальному випадку, має двонаправлену шину даних, яка дозволяє використовувати її як для запису даних в пам’ять, так і для їх зчитування (ВІС обладнана шинним драйвером за схемою рис. 5.3).
Пам’ять побудована так, що слово буде зберігатись як завгодно довго, поки не буде замінено на інше. В будь-який момент, звернувшись до пам’яті, можна отримати на шині даних копію того, що знаходиться за даною адресою. Для цього в пам’ять посилають необхідну адресу і вона видає на шині читання копію слова, що записана за даною адресою.
Обсяг пам’яті виражається порціями, кратними 1024 байтам, або скорочено 1К. Розрядність вибірки визначається кількістю розрядів інформації, яка записується чи зчитується з ЗП ( запам’ятовуючий пристрій) за одне звернення до нього. В розглянутому вище випадку об’єм пам’яті дорівнює 4К.
За функціональним призначенням типи пам’яті розділяють на: -
оперативну (RAM), яка реалізується в оперативних запам’ятовуючих пристроях
ОЗП; - постійну (RОM), яка реалізується в постійних ПЗП, та зовнішню.
Оперативна пам’ять є основним видом пам’яті мікропроцесора. ОЗП ще називають пам’яттю з довільним доступом (звідси і абревіатура - RAM-Random Acces Memori), в яку в довільний час можна записати інформацію та прочитати дані з неї. Суттєвим недоліком ОЗП є втрата всіх записаних в нього даних при вимкнені живлення. Для цього в деяких випадках паралельно живленню ОЗП підключають акумулятор чи батарейку, які підтримують працездатність ОЗП деякий час при вимкнені живлення. Такі ОЗП називають енергонезалежними.
Залежно від способу який використовується для зберігання інформації , всі
ОЗП розділяють на статичні (SRAM) і динамічні (DRAM). У статичних ОЗП елементом зберігання інформації є тригер, час доступу – не більше 15 нс, а у динамічних – конденсатор і час доступу –до100 нс. Статична ОЗП коштує значно більше, тому поки для зберігання великих обсягів інформації використовується – динамічна.
Повністю уникнути втрату інформації дозволяють постійні запом’ятовуючі пристрої (ПЗП), або RОM (Read Only Memory - пам’ять для читання).
Розрізняють наступні чотири типи запам’ятовуючих пристроїв ПЗП:
■ ПЗП з масочним програмуванням (безпосередньо RОM) – це великі напівпровідникові мікросхеми ПЗП, в які інформація записується назавжди один раз при її виготовленні (рис. 5.9). Запис інформації здійснюється за допомогою спеціальних маскуючих фотошаблонів, які задають дільниці металізації (з’єднання), що необхідні для кодування двійкової інформації.
Рис. 5.9. Схема організації ПЗП та ППЗП ємністю у чотири байти
Адреса памяті мікросхеми задає рядочки матриці, кількість яких залежить віднеобхідної ширини шини адреси. На рис. 5.9 шина адреси має два дроти і комбінація одиниць та нулів в них (які не повторюються) дозволяє записати
4-ри байти двійкових чисел.
Байт двійкових чисел (7 6 5 4 3 2 1 0 ) для кожної адреси задається стовпчиками матриці, кожен з яких з’єднується з кожним рядком через напівпровідникові, та дільниць металізації (з’єднань). В процесі експлуатації інформацію з такої ПЗП тільки зчитують. Таким чином виготовляються, наприклад, ПЗП для перетворення у двійковий код КОИ-7 або КОИ-8 символів необхідних алфавітів з клавіатури ЕОМ, ПЗП мікрокоманд, наприклад, ПЗП фірмового програмного забезпечення МПК Л110.
■ ПЗП з можливістю разового програмування типу РRОM. Такі мікросхеми особливо ефективні при проєкуванні дослідних зразків електронних приладів, які не вимагають великої пам’яті. Наприклад, мікросхема серії К155 РЕ3 ємністю 256 біт (32 слова по 8 біт), які програмуються користувачем один раз за допомогою спеціального пульту програмування. При її виготовленні всі діоди з’єднуються з відповідними стовпчиками не металізацією, а за допомогою плавких перемичок. За всіма адресами такої ПЗП (рис. 5.7) з байтовою організацією записуються коди (11111111В) = FFH, тобто, одиниці. Суть програмування такого РRОM в тому, що послідовно для кожного коду адреси імпульсами струму роз’єднують перепалюванням ті місця, де повинен бути записаний нуль. Якщо при програмуванні була допущена помилка, то вона не може бути виправлена і для програмування використовується інша мікросхема;
■ репрограмуємі ППЗП - ЕРRОM з ультрафіолетовим опроміненням для стирання старої інформації і електричним записом нової, які допускають проводити багаторазовий запис та стирання запис інформації і час зберігання інформації в яких може бути від кількох тисяч годин до десятків років.
Організація ЕРRОM з ультрафіолетовим опроміненням для стирання старої
інформації відрізняється від розглянутої РRОM тим, що між лініями рядків та стовчиків встановлені не діоди з плавкими перемичками, а спеціальні МОП – транзистори з ізольованими затворами. Після виготовлення такі транзистори мають великий опір (всі закриті), в матриці пам’яті по всім адресам записані одиниці. При програмуванні нуля в необхідному місці матриці на відповідний транзистор подають імпульс великої амплітуди і переводять його у відкритий стан. При перепрограмуванні всі транзистори спочатку повертають у вихідний (закритий) стан за рахунок тривалої (протягом 10-30 хв.) дії на них через прозоре (кварцове) скло у корпусі мікросхеми ультрафіолетовим випромінюванням у спеціальному пристрої. Після цього така ЕРRОM може бути знову запрограмована;
■ репрограмуємі ППЗП - ЕРRОM з з електричним перезаписом інформації - новітнє досягнення у галузі напівпровідникових ЕРRОM – так звана “флеш-память”, яка виготовляється за спеціальною технологією “Flash” фірмою Intel. Пам’ять відрізняється тим, що в ній, після програмування, можна повернути у вихідний стан (закрити) будь-який окремий МОП-транзистор відносно низьким потенціалом.
Швидкість зчитування інформації з флеш-пам’яті перебуває в межах до 5
Мбайт/с і вона допускає до 1 млн циклів перепрограмувань. Тому у майбутньому можна очікувати, що вона витіснить мікросхему DRAM в використанні її як ОЗП.
До основних характеристик пам’яті належать обсяг, розрядність вибірки, час звертання і споживана потужність.
Таким чином, програми, які керують роботою МПС, можуть бути розміщені в різних типах пам’яті. При використовуванні в МП ПЗП, мікропроцесор може з неї тільки зчитувати команди та дані, але не можна їх модифікувати при виконанні програми. В той же час, позитивним є те, що МПС система з ПЗП завжди готова до роботи, як тільки до неї підключене живлення. ПЗП використовується для зберігання програм роботи відносно простих МПС, коли МПС працює по одній і тій же програмі. Крім цього МПС з ПЗП повинна мати також і ОЗП, де записуються значення змінних, адресів повернення при використовуванні підпрограм і то що.
МП може працювати і використовуючи тільки ОЗП. Недоліком в цьому випадку є те, що при ввімкненні живлення (тобто, перед початком роботи) потрібно необхідну програму роботи МП загрузити із зовнішнього носія інформації, або використовувати енергонезалежне ОЗП.
Ємність ОЗП і ПЗП обмежена, тому для виконання деяких складних задач потрібно збільшувати пам”ять за рахунок зовнішніх запам’ято-вуючих пристроїв ЗЗП, які мають велику ємність та малу швидкодію. До сучасних ЗЗП відносяться: накопичувачі на гнучких (НГМД) та жорстких (НЖМД) магнітних дисках; накопичувачі на флеш-дисках; накопичувачі на магнітних стрічках – стримери, а також компакт-диски – так звані CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory).