Оперативная память (Random Access Memory – RAM), т.е. память с произвольным доступом, используется центральным процессором для совместного хранения данных и исполняемого программного кода. По принципам хранения информации ОЗУ можно разделить на статические и динамические.

Оперативную память можно рассматривать как некий набор ячеек, каждая из которых может хранить один информационный бит.

В статических ОЗУ ячейки построены на различных вариантах триггеров. После записи бита в такую ячейку она может сохранять его сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти – статическая, т.е. пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками – высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает на кристалле немало места. К примеру, микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы более чем из 24 млн. транзисторов, потребляя соответствующую мощность.

В динамических ОЗУ элементарная ячейка представляет собой конденсатор, выполненный по КМОП – технологии. Такой конденсатор способен в течение нескольких миллисекунд сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. При записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля – разряжается. При считывании данных конденсатор разряжается, и если его заряд был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Процесс считывания (обращения к ячейке) сочетается с восстановлением (регенерацией) заряда. Если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то конденсатор за счет токов утечки разряжается и информация теряется. Для компенсации утечки заряда периодически циклически обращаются к ячейкам памяти, т.к. каждое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора. К достоинствам динамической памяти относятся высокая плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам – низкое быстродействие по сравнению со статической памятью.

В настоящее время динамическая память (Dynamic RAM – DRAM) используется в качестве оперативной памяти компьютера, а статическая память (Static RAM – SRAM)- для создания высокоскоростной кэш – памяти процессора.

Микросхемы динамической памяти организованы в виде квадратной матрицы, причем пересечение строки и столбца матрицы задает одну из элементарных ячеек. При обращении к той или иной ячейке нужно задать адрес нужной строки и столбца. Задание адреса строки происходит, когда на входы микросхемы подается специальный стробирующий импульс RAS (Raw Address Strobe), а задание адреса столбца – при подаче импульса CAS (Column Address Strobe). Импульсы RAS и CAS подаются последовательно друг за другом по мультиплексированной шине адреса.

Регенерация в микросхеме происходит одновременно по всей строке матрицы при обращении к любой из ее ячеек, т.е. достаточно циклически перебрать все строки.

Объема не пугайтесь -внимательно прочитайте!!

Классификация запоминающих устройств

Запоминающие устройства (ЗУ)-это важнейшая составная часть любого вычислительного устройства, в том числе и построенного на микропроцессорных БИС.

По функциональному назначению все ЗУ, используемые в микропроцессорных системах, можно разделить на следующие группы:

сверхоперативные ЗУ, представляющие собой на­бор регистров, содержимое которых непосредственно используется при обработке информации в микропро­цессоре;

оперативные ЗУ, хранящие оперативную информа­цию (операнды, части программы), требующуюся в процессе работы;

постоянные ЗУ, предназначенные для длительно­го хранения неизменяемой в процессе работы микро- ЭВМ информации (программ, микропрограмм, кон­стант);

полупостоянные ЗУ, которые по выполняемым функциям полностью соответствуют постоянным ЗУ, но отличаются от последних возможностью относи­тельно быстрой смены хранимой в них информации, при необходимости изменения программ или кон­стант, за ограниченное время внешние ЗУ, предназначенные для хранения боль­ших объемов информации с небольшой удельной стои­мостью бита хранимой информации;

буферные ЗУ, предназначенные для согласования различных уровней системы памяти микроЭВМ меж­ду собой и внешних устройств с системой памяти.

Запоминающие устройства микроЭВМ могут быть реализованы на основе только БИС ОЗУ. Однако потеря информации при отключении питания, более высокая удельная стоимость бита хранимой информа­ции и ряд других причин привели к широкому исполь­зованию в микроЭВМ постоянных и полупостоянных ЗУ.

По способу организации обмена ин­формацией между отдельными ЗУ и микропро­цессорами различают ЗУ: с произвольной выборкой (ЗУПВ); с последовательным обращением (ЗУПО); с последовательно-параллельной организацией об­мена.

Подавляющая часть запоминающих устройств микропроцессорных систем - это ЗУ с произвольной выборкой (или с произвольным доступом). Если па­мять не обеспечивает произвольного доступа к любой ее части, то это память с последовательным доступом, она редко используется в качестве основной памяти микропроцессорной системы. При работе с такой па­мятью, для обращения к нужной области, необходимо предварительно обратиться ко всем областям, лежа­щим между той, к которой произошло обращение в данный момент, и требуемой областью. В последо­вательной форме хранится информация на магнитной ленте. Последовательный доступ применяют для за­поминания значительных объемов данных, время об­ращения к которым не является критичным.

Запоминающие устройства характеризуются рядом качественных показателей.

Емкость ЗУ определяется максимально воз­можным количеством битов хранимой информации.

Ширина выборки определяется количеством информации, записываемой в ЗУ или извлекаемой из него за одно обращение. Эта характеристика доста­точно важная, так как при одинаковом времени об­ращения ЗУ с большей шириной выборки обладает большей информационной эффективностью.

Статическое ОЗУ с матричным накопителем

Набор бит, который используется для выбора данных в памяти. Элемент двоичной информации, который равен 0 или. Набор проводов, которые электрически транспортируют информацию. Максимальное количество бит запоминается. Память, которую можно читать только.

Различные типы полупроводниковых запоминающих устройств

Память, которую можно записать или прочитать. Набор битов, которые обрабатываются одновременно. Набор из 8 бит. Максимальное время, необходимое, в худшем случае, для чтения или записи данных в памяти. В компьютере связь между центральным блоком и памятью осуществляется через три канала: провода адресной линии, которые позволяют выбирать определенное слово в памяти; каналы передачи данных, которые обеспечивают обмен информацией, и управляющие провода, которые позволяют управлять работой компонента.

Время обращения определяется с момента подачи в устройство сигнала записи или чтения до того момента, когда закончатся все действия, связанные с выполняемой операцией, и устройство будет готово принять и реализовать следующую операцию обра­щения к накопителю информации. Это время называ­ется также длительностью цикла обращения к ЗУ, в течение которого можно выбрать информацию (чте­ние), ввести информацию (запись), обновить или мо­дифицировать состояние некоторого элемента ЗУ.

Внутри корпуса информация адреса декодируется и, в зависимости от операции желательно, данные считываются, записываются или игнорируются. Существует два типа полупроводниковых запоминающих устройств: ОЗУ и ПЗУ. Его содержание определяется производством компонента и не может быть изменено позднее. Программа инициализации компьютера сохраняется в этом типе памяти.

Однако его содержимое регистрируется пользователем со специальным оборудованием до его реализации. Эту операцию можно выполнить только один раз, поскольку она разрушает запись путем плавления микропузырьков или путем разбивки диодных контактов. Однако его можно стереть и перепрограммировать несколько раз, чтобы изменить устаревшую программу. Полное стирание выполняется путем экспонирования микросхемы памяти в источник ультрафиолетового излучения в течение примерно двадцати минут. В этом случае корпус имеет кварцевое окно, которое оставляет чип видимым. Частично стирайте и перепрограммируйте электрически.

Скорость обмена информацией между ЗУ и дру­гими устройствами является важным параметром за­поминающих устройств. Она определяется числом бит (байт), передаваемых в единицу времени.

Показатель удельной стоимости применяется для оценки экономических характеристик ЗУ. Он оп­ределяется отношением его стоимости к информаци­онной емкости, т. е. стоимости бита хранимой инфор­мации.

Оперативная память. ОЗУ- оперативное запоминающее устройство

Но время записи довольно велико, и количество циклов перезаписи ограничено. Этот тип памяти используется для хранения значений, которые могут быть изменены во время работы. Но его содержимое теряется в случае отказа напряжения источника питания. В некоторых приложениях, где этот отказ неприемлем, можно использовать маломощные компоненты, мощность которых подкреплена батареей.

Конституция точки памяти

Блок памяти по существу состоит из схемы адресации и области хранения информации, которая занимает большую часть поверхности чипа. Существуют две основные структуры для создания элемента памяти, способного хранить двоичную информацию. Первая - качалка. Он состоит из биполярных или полевых транзисторов. Два инвертора с обратной связью работают в бистабильном режиме. При включении питания содержимое ячейки является случайным состоянием 1 или 0. Клетка должна быть адресована, и известное состояние 1 или 0 будет записано в виде последовательности записи.

Надежность, а для систем специального назна­чения- массогабаритные показатели и потребляемая мощность являются для ЗУ существенными характе­ристиками.

Одна из характеристик ЗУ - способность сохра­нять информацию при отключении источников пита­ния. В этом случае различают энергозависимую или энергонезависимую память. В энергонезависимой па­мяти при нарушениях в работе системы питания дан­ные не разрушаются, а в энергозависимой - разру­шаются.

Вторая возможная структура - это емкостная ячейка, которая включает в себя конденсатор и полевой транзистор. хранится как электрический заряд через конденсатор во время фазы записи. Преимущество этой структуры заключается в небольшом числе используемых компонентов, однако, в зависимости от недостатков изоляции конденсатора, информация со временем разрушается. Емкостная ячейка использует примерно в четыре раза меньшее количество компонентов, чем ячейка. Кроме того, для заданного уровня интеграции число точек памяти в первом случае выше.

Для микропроцессорных систем наиболее харак­терно использование оперативных запоминающих устройств на МОП-транзисторах. Существует два способа построения интегральных схем памяти по МОП-технологии, в зависимости от которых память на МОП-структурах может быть статической или ди­намической. Статическая память проще с точки зрения организации, что особенно явно при запоминающих устройствах небольшого объема. Управлять ста­тической памятью легче. Интегральные схемы, применяемые для построения динамической памяти, относительно дешевы, но для организации ее работы необходимы дополнительные микросхемы. Кроме то­го, содержимое микросхем динамической памяти не­обходимо периодически регенерировать. На динами

ческом принципе строятся запоминающие устройства большого объема.

В некоторых микропроцессорных системах нахо­дят применение еще два вида полупроводниковой па­мяти: на приборах с зарядовой связью (ППЗС) и на цилиндрических магнитных доменах (ПЦМД). Оба ти­па памяти ориентированы на последовательный до­ступ. Как и другие устройства последовательного до­ступа, они имеют невысокое быстродействие, однако, позволяют реализовать запоминающие устройства значительно большего объема, чем устройства памяти на биполярных и МОП-транзисторах.

Достоинства ППЗС - чрезвычайно малое потреб­ление мощности, простота в применении. Память на ППЗС энергозависима, но малая потребляемая мощ­ность делает возможным сохранение в ней информа­ции с помощью резервных аккумуляторов при отказе на длительное время основного источника питания.

Для ПЦМД требуется гораздо большее число вспомогательных схем, чем для памяти на приборах с зарядовой связью, но она является энергонезависи­мой. Таким образом, этот тип памяти позволяет реа­лизовать энергозависимые запоминающие устройства большого объема, для которых не требуются сложные механические лентопротяжные механизмы и диско­воды.

В последующих параграфах рассматриваются ос­новные типы запоминающих устройств микропроцес­сорных систем и их характеристики.

§ 3.2. Оперативные запоминающие устройства

По принципу хранения информации полупровод­никовые оперативные ЗУ делятся на динамические и статические.

Динамические запоминающие уст­ройства строятся на основе запоминающего элемента, сохраняющего свое состояние только опреде­ленный промежуток времени и поэтому требующего периодического восстановления. Запоминающим эле­ментом динамических полупроводниковых ЗУ служит конденсатор, в котором информация хранится в фор­ме наличия или отсутствия заряда. Из-за утечек по­степенно уменьшается заряд на запоминающем конденсаторе; для восстановления заряда запоминающий конденсатор периодически подключают к источнику питания.

Регенерация (восстановление данных) ячейки ди­намической памяти производится при каждом обраще­нии к ней. Однако при обычной интенсивности работы памяти микропроцессорной системы такая регенера­ция не гарантирует сохранности всех хранившихся в ней битов информации. Микропроцессор может, на­пример, затратить время, превышающее несколько миллисекунд, на выполнение простого цикла, предна­значенного для выработки временной задержки, и ис­пользовать при этом лишь несколько ячеек памяти. В течение всего этого временного промежутка все другие слова памяти не будут подвергаться регене­рации. Поэтому устройства памяти, выполненные на динамических ЗУ, нуждаются в логической схеме ре­генерации, которая автоматически обращается к каж­дому столбцу памяти с интервалами в несколько де­сятых долей миллисекунды. Динамическое запоми­нающее устройство построено так, что само обращение к столбцу обеспечивает регенерацию ин­формации во всех его ячейках. Работа логической схемы регенерации должна координироваться с дру­гими действиями микропроцессора. Если, например, микропроцессор пытается обратиться к памяти в мо­мент, когда в ней осуществляется, регенерация, то схема регенерации должна отдать приоритет именно микропроцессору.

Динамический принцип хранения информации обеспечивает ряд преимуществ динамических ЗУ. Динамические полупроводниковые ЗУ с произвольной выборкой имеют высокий уровень интеграции и быст­родействия, низкую стоимость и поэтому находят широкое применение в микропроцессорных вычисли­тельных системах. На динамических БИС ЗУ, являю­щихся функционально законченными устройствами, можно сравнительно просто строить ОЗУ различной информационной емкости.

Схемы управления ЗУ (мультиплексор, управ­ление регенерацией) могут быть выполнены на стан­дартных или специализированных ИС.

Недостаток динамических ЗУ - необходимость ре­генерации- компенсируется большей, чем в статиче­ских ЗУ, информационной емкостью.

Статические запоминающие устрой­ства являются наиболее распространенным видом памяти микропроцессорных систем. Большинство ста­тических запоминающих устройств реализуется на ос­нове МОП-технологии, но существуют и статические ЗУ на биполярных схемах.

Ячейка памяти статического ЗУ представляет со­бой обычный триггер. Он может быть установлен ли­бо в состояние «1», либо в состояние «О». Если триг­гер установлен в «1», то это состояние сохраняется до тех пор, пока не будет произведен сброс триггера или не будет выключено питание.

Часто разрядность шины адреса микроЭВМ боль­ше разрядности ее шины данных. Так, в 8-разрядной микроЭВМ применение 16-разрядного адреса обеспе­чивает адресацию 65536 байт памяти. Два байта на­зывают младшим и старшим байтами адреса. Млад­шие разряды адреса А( > ...А^ называют адресом слова (байта), а старшие разряды А 8 ...А ]5 называют адре­сом страницы Таким образом, можно адресовать 256 страниц по 256 слов (байт) в каждой.

Типичные БИС динамического ОЗУ: КР565РУ6 - емкость 16384X1 бит; К565РУ5 - емкость 65536x1 бит.

Типичные БИС статического ОЗУ: КР537РУ14 - емкость 4096Х 1 бит; КР132РУ6А - емкость 16384Х XI бит; К537РУ9 - емкость 2048x8 бит;