Та їх елементи

8.1 Основні поняття, класифікація

Напівпровідникові запам’ятовуючі пристрої (НЗП) відносяться до широкого класу цифрових пристроїв, призначених для запису, зберігання і видачі інформації представленої у двійковій формі. НЗП відрізняються від інших пристроїв цього класу тим, що для їх побудови використовують інтегральні напівпровідникові транзисторні структури. Зазначимо, що найпростішими НЗП є регістри, які були розглянуті раніше (див. підрозділ 7.4.2).

Цифрові пристрої пам’яті інколи називають просто пам’яттю. Хоча слід мати на увазі, що під пристроєм розуміють структуру, яка має конкретну побудову, а термін „пам’ять” лише відображує функцію пристрою.

Для створення пристроїв пам’яті можуть бути використані різноманітні фізичні середовища, а саме: напівпровідникові, магнітні, оптичні, електрозарядові, кріоелектронні, ультразвукові, механічні тощо. В пристрої пам’яті фізичне середовище виконує функцію носія інформації, на якому вона зберігається. Прикладами механічних носіїв інформації є перфокарти і перфострічки, що використовувались у комп’ютерах другого і третього поколінь. В зовнішній пам’яті сучасних комп’ютерів, як носії інформації, використовують магнітні і оптичні диски, а їх внутрішня пам’ять реалізована на напівпровідникових носіях інформації. Таким носієм інформації є запам’ятовуючий масив (ЗМ) певної структури, який складається з електронних схем на напівпровідникових транзисторах. Кожна така схема є запам’ятовуючим елементом, здатним зберігати один біт інформації. Саме такі НЗП та їх елементи розглядаються в цьому розділі.

Основними операціями, які виконує запам’ятовуючий пристрій (ЗП) над двійковими словами, є занесення слова до ЗП  запис і вибірка слова із ЗП  зчитування. Обидві ці операції ще називають зверненням до пам’яті.

Напівпровідникові запам’ятовуючі пристрої можна класифікувати за декількома ознаками.

За здатністю зберігати інформацію після відключення напруги живлення їх поділяють на енергозалежні та енергонезалежні. Енергонезалежні запам’ятовуючі пристрої зберігають занесену до них інформацію після відключення напруги живлення. Інформація записана до енергозалежних ЗП втрачається при відключенні напруги живлення.

За можливістю зміни при роботі комп’ютера інформації, що зберігається, ЗП поділяють на оперативні запам’ятовуючи пристрої (ОЗП) і постійні запам’ятовуючи пристрої (ПЗП).

Всі напівпровідникові оперативні запам’ятовуючі пристрої є енергозалежними, вони виконують у процесі роботи комп’ютера обидва типи операцій, притаманних пристроям пам’яті, тобто операції запису і зчитування інформації. ОЗП мають високу швидкодію і призначені для тимчасового зберігання програм та проміжних результатів обробки даних. Їх будують на основі напівпровідникових елементів пам’яті  тригерів і електронних схем з динамічним зберіганням інформації. Прикладами ОЗП є кеш і оперативна (основна) пам’ять комп’ютера.

Постійні запам’ятовуючі пристрої зберігають інформацію, що не змінюється при роботі комп’ютера. Такою інформацією можуть бути системні програми, мікропрограми, табличні значення функцій, константи тощо. ПЗП є енергонезалежними і можуть виконувати тільки одну операцію – зчитування, тому такі пристрої мають також назву  пам’ять лише для читання або скорочено ROM (ROM – абревіатура від повної англійської назви Read Only Memory). Інформація, яку зберігають постійні запам’ятовуючі пристрої, заноситься до них або безпосередньо при виготовленні або за допомогою спеціальних пристроїв – програматорів. ПЗП, в які інформацію заносять при виготовленні, мають назву масочні постійні запам’ятовуючі пристрої (МПЗП), оскільки для їх виготовлення використовуються спеціальні фотошаблони – маски. ПЗП, в які інформацію заносять за допомогою програматорів поділяються на одноразово програмовані постійні запам’ятовуючі пристрої (ППЗП) і багаторазово програмовані або репрограмовані постійні запам’ятовуючі пристрої (РПЗП). Програмування РПЗП здійснюється електричними сигналами. Перед черговим програмуванням стирають ту інформацію, яка була занесена попередньо. Стирання може здійснюватися за допомогою опромінювання кристалу РПЗП ультрафіолетовим світлом через вікно в корпусі мікросхеми (РПЗП-УФ, англійською EPROM) або електричним способом (РПЗП-ЕС, англійською EEPROM або E²PROM). В підсистему пам’яті сучасних комп’ютерів переважно входять РПЗП з електричним записом і стиранням інформації. Такі РПЗП-ЕС носять назву флеш пам’ять (англійською Flash) і використовуються зокрема для зберігання програм BIOS комп’ютера (BIOS – Base Input Output System – базова система уведення-виведення).

За способом пошуку інформації запам’ятовуючи пристрої поділяють на адресні, асоціативні та стекові.

Одиницям інформації (байтам, словам (два байта), подвійним словам (чотири байта) тощо), що зберігаються в адресних ЗП, ставиться у відповідність адреса, яка являє собою двійкове число (код). Мінімальною одиницею інформації, що може мати адресу в таких ЗП є байт. Пошук інформації в адресних запам’ятовуючих пристроях здійснюється за двійковою адресою, для чого в пристроях вибірки таких ЗП використовують дешифратори. Більшість НЗП комп’ютерів, а саме: основна пам’ять, кеш пам’ять і ПЗП (ROM) є адресними запам’ятовуючими пристроями.

У асоціативних ЗП пошук інформації відбувається не за адресою, а за її змістом. Для цього використовується двійковий код який має назву асоціативна ознака. Код асоціативної ознаки або окремі його біти порівнюються одночасно з усіма двійковими кодами одиниць інформації (або окремими їх бітами), які зберігаються в ЗП. На підставі порівняння робиться висновок про наявність у ЗП інформації, що відповідає асоціативній ознаці. Асоціативні ЗП, зокрема, входять до складу пристроїв передбачення адреси умовних переходів, що входять до складу процесора сучасних комп’ютерів.

Стекові ЗП, як і асоціативні ЗП, є безадресними. Запис і зчитування інформації в них відбувається через одну й ту ж комірку пам’яті  вершину стека. При запису одиниця інформації заноситься до вершини стеку, при цьому інформація, що була занесена до неї раніше та інша інформація, яка зберігається в ЗП, зсуваються в глибину стеку без зміни порядку зберігання інформації. При зчитуванні одиниця інформації видаляється з вершини стеку, і зсув інформації відбувається у зворотному напрямку. Така організація ЗП отримала назву LIFO (LIFO – абревіатура від повної англійської назви Last Input First Output, що означає „останній прийшов – перший вийшов”).

За способом доступу розрізняють запам’ятовуючі пристрої з довільним, циклічним та послідовним доступом.

В ЗП з довільним доступом час, що потрібен для пошуку будь-якої одиниці інформації не залежить від місця її розташування у запам’ятовуючому масиві пристрою. Такі ЗП мають також назву – пам’ять з довільним доступом або RAM (RAM – абревіатура від повної англійської назви Random Access Memory). До ЗП з довільним доступом відносяться адресні і асоціативні запам’ятовуючі пристрої. Адресні оперативні ЗП з довільним доступом за способом зберігання інформації поділяють на статичні і динамічні. Статичні ОЗП у якості елементів пам’яті використовують статичні тригери на уніполярних МОН-транзисторах. Тому пам’ять, яка реалізована на таких ОЗП, отримала назву SRAM (SPAM – абревіатура від повної англійської назви Static Random Access Memory). Як SRAM, наприклад, реалізована кеш-пам’ять комп’ютерів. Динамічні ОЗП будують на динамічних елементах пам’яті, в яких інформація зберігається як заряд конденсатора, утвореного певними паразитними елементами схеми. Оскільки, завдяки наявності струмів витоку, заряд конденсатора не може зберігатися скільки завгодно довго, його потрібно поновлювати. В динамічних ОЗП це виконують спеціальні пристрої – контролери регенерації. Пам’ять, що реалізується на динамічних ОЗП, отримала назву DRAM (DRAM - абревіатура від повної англійської назви Dynamic Random Access Memory). Як DRAM реалізована основна пам’ять комп’ютерів, що працює в режимі безпосереднього обміну з процесором. Фрагмент програми, що використовується в поточний момент, обов’язково знаходиться в основній (оперативній) пам’яті комп’ютера.

В ЗП з циклічним доступом одиниці двійкової інформації стають доступними для запису або зчитування через постійні інтервали часу, які періодично повторюються. До напівпровідникових ЗП з таким типом доступу відноситься зокрема відео пам’ять комп’ютерів VRAM (VRAM – абревіатура від повної англійської назви Video Random Access Memory).

ЗП з послідовним доступом відрізняються тим, що в них одиниці інформації розташовані у вигляді черги. При цьому записування інформації здійснюється послідовно згідно черзі, а зчитування  також послідовно в прямому або зворотному порядку черги. Зворотний порядок зчитування має місце у ЗП, які організовані за принципом LIFO, прикладом такого ЗП є стекова пам’ять. Прямий порядок зчитування має місце у послідовних ЗП з організацією „перший прийшов-перший вийшов”, яка отримала назву FIFO (FIFO – абревіатура від англійської First Input First Output). За принципом FIFO зокрема організовано запам’ятовуючий пристрій процесора, що зберігає чергу команд програми. До запам’ятовуючих пристроїв з послідовним доступом відносяться також файлові НЗП комп’ютера.