Запоминающие устройства их классификация и структура

Определение ЗУ

Запоминающие устройства (ЗУ) — это компоненты вычислительных систем, предназначенные для хранения и последующего использования информации.

Принципы функционирования цифровых вычислительных систем

Цифровые компьютеры и программируемые устройства работают, выполняя по порядку команды из программ. При этом они обращаются к данным, и результаты работы одних частей системы часто становятся входными данными для других. Это приводит к постоянному обмену информацией между различными компонентами, обеспечивая их слаженную работу.

Для эффективной работы таких систем нужны устройства, которые могут хранить программы, исходные данные и результаты вычислений. Также важно передавать цифровую информацию между разными частями системы. Эту функцию выполняют полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ).

Микросхемы памяти составляют около 40% всех производимых интегральных схем и играют ключевую роль во многих системах. Со временем они постоянно совершенствуются: становятся быстрее, могут хранить больше информации и имеют улучшенную архитектуру.

Сегодня существует множество типов запоминающих устройств, которые используются в разных областях. Они продолжают развиваться, обеспечивая всё более высокую производительность и надёжность цифровых систем.

Важнейшие параметры запоминающих устройств (ЗУ)

Запоминающие устройства (ЗУ) играют ключевую роль в цифровых вычислительных системах. Для оценки их эффективности используются несколько основных параметров.

Информационная емкость

Информационная емкость — это максимально возможный объем информации, который может хранить запоминающее устройство. Этот параметр выражается в битах или словах (например, в байтах). Бит хранится в запоминающем элементе (ЗЭ), а слово — в запоминающей ячейке, состоящей из группы ЗЭ, к которым можно одновременно обратиться. Для обозначения объема данных применяются множители: «К» (кило) означает умножение на 2¹⁰ = 1024, а «М» (мега) — на 2²⁰ = 1,048,576.

Организация запоминающего устройства определяет количество хранимых слов и их разрядность. Запоминающие устройства одинаковой емкости могут иметь разную организацию. Например, ЗУ, которое хранит 64 слова по 8 разрядов, имеет емкость 512 бит. Такое же ЗУ может хранить 128 слов по 4 разряда.

Быстродействие (производительность) ЗУ

Быстродействие запоминающих устройств (ЗУ) определяется тем, насколько быстро они могут выполнять операции чтения и записи данных, а также длительностью этих операций.

• Время считывания — это интервал между подачей сигнала на чтение и моментом, когда запрошенные данные появляются на выходе памяти.
• Время записи — это интервал после подачи сигнала на запись, необходимый для того, чтобы ячейка памяти сохранила новые данные.

Минимально допустимый промежуток времени между последовательными операциями чтения или записи называется циклом чтения или записи. Этот цикл определяет, с какой скоростью можно выполнять последовательные операции без ошибок или потери данных.

Адресация в цифровых системах

Любая цифровая вычислительная система характеризуется шинной структурой. Чтобы процессор мог однозначно выбрать нужную команду или данные, он обращается к определенной ячейке ЗУ, которая имеет свой уникальный номер, называемый адресом. Адрес ячейки передается по шине адреса A. Число различных адресов, которые могут быть переданы по шине, содержащей N проводников, равно N=2ⁿ.

Нумерация ячеек

Самый младший адрес ячейки состоит из одних нулей A = 00…0, а самый старший — из одних единиц A = 11…1, что составляет 2^{n — 1}. Таким образом, нумерация ячеек начинается с нуля.

Набор сигналов полупроводникового ЗУ

Типичный набор сигналов полупроводникового ЗУ включает:

1. A (Адрес):

• Разрядность адреса n определяется максимальным возможным числом слов, хранимых в ЗУ.
• Для полупроводниковых ЗУ число ячеек, размещаемых в одной ИС, кратно целой степени числа 2. Например:
  • 2⁹ = 512
  • 2¹⁰ = 1024 (1 Кбайт)
  • 2²⁰ = 1 048 576) (1 Мбайт)
• Разрядность адреса n связана с числом ячеек N соотношением n = log₂N. Например, ЗУ с информационной емкостью 64 Кбайт с байтовой организацией имеет 16-разрядные адреса, выражаемые словами A = A₁₅A₁₄A₁₃…A₀.

2. DI (Data Input) и DO (Data Output):

• Шины входных и выходных данных, разрядность которых t определяется организацией ЗУ (разрядностью его ячеек). В некоторых ЗУ для входных и выходных данных используется одна и та же шина, обозначаемая как DIO.

3. R/W (Read/Write):

• Задает выполняемую операцию (при единичном значении — чтение, при нулевом — запись).

4. CS (Chip Select) или CE (Chip Enable):

Разрешает или запрещает работу данной микросхемы. Для организации памяти вычислительного устройства одной микросхемы ЗУ обычно недостаточно. В этом случае с помощью сигнала CS обеспечивается обращение к нужной микросхеме, на остальные же микросхемы при этом подается запрещающий уровень сигнала CS.

Управление выходными каскадами и энергозависимость ЗУ

OE (Output Enable)

OE (Output Enable) управляет выходными буферными каскадами. Для того чтобы интегральная схема (ИС) не нагружала выходные линии, ее выходные каскады, кроме обычных состояний лог. 1 и лог. 0, имеют еще третье состояние высокого выходного сопротивления. Это состояние эквивалентно отключению ИС от шины данных. Вход OE переводит выходные буферные каскады в это третье состояние.

Последовательность работы сигналов

Очередность поступления сигналов выглядит следующим образом:

1. Подается адрес, чтобы операции не касались других ячеек, кроме выбранной.
2. Сигналом CS (CE) разрешается работа микросхемы.
3. Подается сигнал чтения/записи R/W.

Для операции чтения после подачи сигналов ЗУ готовит данные, что требует определенного времени. Спустя это время на выходах DO появляются данные, и по заднему фронту сигнала R/W происходит считывание данных.

Для операции записи данные подаются на входы DI, и по заднему фронту сигнала R/W происходит запись данных в ЗУ.

Энергозависимость полупроводниковых ЗУ

Для полупроводниковых ЗУ важна характеристика энергозависимости — способность сохранять данные при отключении питания. Если ЗЭ обладают свойством энергозависимости, то память, построенная на их основе, будет хранить информацию при отключенном питании неограниченно долго. В противном случае для сохранения информации вводят резервные источники питания, которые автоматически подключаются при снятии основного питания.

Классификация полупроводниковых ЗУ

Важнейшим признаком классификации ЗУ является способ доступа к данным. С учетом этого их делят на три типа:

1. Адресные ЗУ
2. ЗУ с последовательным доступом
3. ЗУ с ассоциативным доступом

Адресные ЗУ

Первыми были созданы полупроводниковые адресные ЗУ. Для чтения или записи информации в этих ЗУ необходимо указать адрес конкретной ячейки. Эти ЗУ лежат в основе постоянной и оперативной памяти всех ЭВМ и вычислительных устройств, построенных на базе микропроцессоров, в том числе устройств числового программного управления станков (ЧПУ).

Адресные ЗУ делятся на два типа:

• RAM (Random Access Memory) — ОЗУ (оперативные запоминающие устройства) или ЗУПВ (запоминающие устройства с произвольным доступом). ОЗУ хранят данные, участвующие в выполнении текущей программы, которые могут изменяться в произвольный момент времени. Запоминающие элементы ОЗУ обычно не обладают энергозависимостью.
• ROM (Read Only Memory) — ПЗУ (постоянные запоминающие устройства). Данные в ПЗУ не изменяются в процессе работы устройства. Процессор может лишь прочитать информацию или очередные команды программы из ПЗУ.

ЗУ с последовательным доступом

ЗУ с последовательным доступом используются там, где данные выстраиваются в очередь. Очередь может обслуживаться по принципу FIFO (First In, First Out) — первый пришел, первый ушел, или LIFO (Last In, First Out) — последний пришел, первый ушел. В этих ЗУ запись данных происходит не по адресу, а в конец очереди, а чтение — из начала или конца очереди. Примером использования таких ЗУ является видеопамять, обеспечивающая хранение данных о цвете и яркости точек экрана монитора.

Типы памяти с последовательным доступом:

• FIFO (First In, First Out): Первый пришел, первый ушел. Данные считываются в порядке их поступления.
• LIFO (Last In, First Out): Последний пришел, первый ушел. Данные считываются в обратном порядке поступления.

Примером последовательного доступа является видеопамять (VRAM), которая работает по принципу FIFO или LIFO в зависимости от режима работы.

ЗУ с ассоциативным доступом

Запоминающие устройства с ассоциативным доступом ищут информацию по определённым признакам, а не по её физическому адресу или порядку в очереди.

В такой памяти поиск происходит на основе заданного признака: все хранящиеся данные одновременно проверяются на соответствие этому признаку. Например, сравниваются определённые части данных — теги (tags) — с входным тегом, который вы задаёте. Этот признак может быть полным адресом ячейки оперативной памяти.

Объём ассоциативной памяти обычно составляет сотни килобайт или несколько мегабайт, что значительно меньше по сравнению с гигабайтами оперативной памяти современных компьютеров. На выходе эта память выдаёт данные, которые соответствуют заданному признаку.

Ассоциативная память в основном используется в кэш-памяти современных компьютеров. Кэш-память данных применяет ассоциативный доступ для быстрого поиска и предоставления нужной информации, что существенно ускоряет обработку данных.

Если существует несколько данных, соответствующих заданному тегу, то способы выдачи и записи новых данных могут различаться. Конкретная реализация зависит от требований системы и используемых алгоритмов обработки данных.

Типы оперативной памяти (ОЗУ)

Статическая и динамическая оперативная память (ОЗУ)

Оперативная память компьютеров делится на два основных типа: статическую (SRAM) и динамическую (DRAM).

• Статическая ОЗУ (SRAM): В этой памяти данные хранятся в триггерах, которые состоят из нескольких транзисторов. Такая архитектура обеспечивает быструю работу и мгновенный доступ к данным без необходимости их обновления. Однако SRAM более дорогая и потребляет больше энергии по сравнению с DRAM.
• Динамическая ОЗУ (DRAM): Здесь информация хранится в виде электрического заряда на конденсаторах, созданных с помощью МОП-транзисторов. Для хранения одного бита данных требуется всего один транзистор и конденсатор, что позволяет создавать память большой ёмкости. Основной недостаток DRAM — необходимость регулярного обновления зарядов конденсаторов, иначе данные могут быть утрачены.

Виды статической оперативной памяти

Статическая ОЗУ подразделяется на несколько типов:

1. Асинхронная SRAM: Работает независимо от системного тактового сигнала. Управляющие сигналы могут быть заданы как импульсами, так и постоянными уровнями напряжения. Эта память подходит для приложений, где важна гибкость в управлении доступом к данным.
2. Синхронная SRAM: Также известна как тактируемая SRAM. Здесь сигнал выбора микросхемы (CS) должен переходить из неактивного состояния в активное в каждом цикле обращения к памяти, синхронизируясь с тактовым сигналом системы. Это обеспечивает более упорядоченный и предсказуемый доступ к данным, что важно для высокоскоростных приложений.
3. Конвейерная SRAM: В этой архитектуре используется принцип конвейерной обработки данных. Это означает, что несколько операций чтения или записи могут выполняться одновременно на разных стадиях обработки. Конвейерная SRAM работает с тактовой частотой процессора, что значительно повышает скорость передачи данных и общую производительность системы.

Применение и характеристики

Динамические ЗУ обладают наибольшей информационной емкостью и используются в основной памяти ЭВМ. Разработаны многочисленные схемы повышенного быстродействия.

Статические ЗУ дороже динамических в 4–5 раз и имеют меньшую информационную емкость. Их преимущество — более высокое быстродействие. Типичное применение — кэш-память.

Постоянная память (ROM)

Постоянная память, или ROM (Read Only Memory), — это тип запоминающего устройства, предназначенного для хранения данных, которые не изменяются в процессе работы вычислительной системы. ROM используется для хранения прошивок и других критически важных данных, которые необходимы для запуска и функционирования системы.

Типы ROM

• ROM (M): Программируется при изготовлении методами интегральной технологии с помощью одной из масок. В русском языке такие ЗУ называются масочными ПЗУ.
• PROM (Programmable ROM): Программируемая пользователем память (ППЗУ). Данные могут быть занесены один раз путем прожигания плавких перемычек или создания перемычек путем электрического пробоя.
• EPROM (Erasable Programmable ROM): Перепрограммируемая ПЗУ. Стирание информации выполняется облучением ультрафиолетовыми лучами.
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): Перепрограммируемая ПЗУ с электрическим стиранием данных.

Память флэш-типа

Флэш-память — это вид энергонезависимой памяти, который широко используется в современных цифровых устройствах благодаря своей способности хранить данные без подключения к источнику питания. В отличие от традиционных EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), флэш-память может стираться и записываться блоками, а не побитно, что значительно ускоряет эти процессы.

Создание флэш-памяти стало одним из самых значимых достижений в области полупроводниковых программируемых запоминающих устройств. Флэш-память похожа на EEPROM с возможностью электрического стирания, но имеет свои уникальные особенности. Главное отличие в том, что в флэш-памяти нельзя стирать отдельные слова или байты; вместо этого стирается вся память целиком или большими блоками.

Стирать всю информацию одновременно — самое простое решение, но оно имеет существенный недостаток: если нужно изменить всего одно слово, приходится переписывать всю память. Поэтому существуют блоковые схемы флэш-памяти, где память разделена на блоки размером от 256 байт до 128 килобайт, позволяя стирать и перезаписывать отдельные блоки.

Флэш-память эффективно используется в двух основных направлениях: для хранения данных, которые редко меняются, и в качестве замены магнитных дисков. В первом случае используется флэш-память с адресным доступом, а во втором — файловая флэш-память.

Флэш-память с адресным доступом позволяет стирать как всю память, так и отдельные блоки. Запись и стирание данных выполняются непосредственно процессором устройства в обычном режиме работы, без использования специального программатора. Для этого флэш-память оснащена системой управления командами, которые процессор записывает в специальный регистр микросхемы. При подаче специального программного напряжения микросхема обеспечивает запись и стирание данных; без этого напряжения она работает как обычное ПЗУ. Перед программированием процессор считывает идентификационный код микросхемы, содержащий информацию о производителе и типе, что позволяет автоматически настроить алгоритмы стирания и записи.

В режиме программирования микросхема контролируется внутренним автоматом, который управляет процессами стирания и записи согласно полученным командам. Стирание может затрагивать всю память или выбранный блок, после чего проводится проверка. Если не все байты стерты, процедура повторяется. Запись данных осуществляется по байтам с последующей проверкой корректности записанной информации.

Размер блоков в блочных схемах может различаться. Один из блоков обычно используется для хранения программ BIOS и защищен от случайного стирания. Также существуют блоки параметров и основные блоки, которые не защищены и хранят основные управляющие программы и часто меняемые параметры системы.

Файловая флэш-память применяется для замены жестких дисков, а также в съемных флэш-накопителях, картах памяти мобильных телефонов и цифровых камер. По сравнению с жесткими дисками, она значительно снижает энергопотребление, повышает надежность, уменьшает размеры и вес устройств, а также существенно ускоряет скорость чтения данных. Питание подается только при обращении к памяти, и для доступа к данным достаточно знать адрес. Твердотельные накопители (SSD), созданные на основе флэш-чипов, к 2010 году достигали емкости 128 Гбит на один чип. SSD-накопители, состоящие из множества таких чипов, могут иметь емкость в сотни гигабайт.

Структура адресных ЗУ

Полупроводниковые запоминающие устройства с адресным доступом состоят из двух основных частей: матрицы памяти и схемы выборки.

Матрица памяти отвечает за хранение данных. В ранних моделях она имела прямоугольную форму с размером M = km, где M — общая ёмкость памяти в битах, k — количество хранимых слов, а m — длина каждого слова в битах.

Схема выборки обеспечивает запись или чтение информации из выбранной ячейки памяти. Она включает в себя дешифратор адреса и усилители записи/чтения. Дешифратор адреса преобразует входной адрес в сигнал, который указывает на конкретную ячейку памяти. Усилители записи/чтения управляют процессом записи данных в эту ячейку или чтения данных из неё.

В полупроводниковых запоминающих устройствах с адресным доступом каждая строка матрицы ячеек памяти соответствует одной ячейке и хранит одно слово данных. Номера строк совпадают с адресами этих ячеек. Адрес нужной ячейки передаётся по шине адреса всем микросхемам памяти, но воспринимается только той, которая получила разрешающий сигнал CS (Chip Select).

Когда поступает сигнал CS, дешифратор адреса активирует одну из своих выходных линий, предоставляя доступ ко всем элементам выбранной строки. Горизонтальные биты этих строк образуют столбцы матрицы, которые соединены с вертикальными линиями — внутренними линиями данных. При операции чтения состояния ячеек памяти выбранной строки передаются по этим линиям, усиливаются и выводятся на внешнюю шину данных. При записи усилители устанавливают напряжение на линиях в соответствии с записываемыми данными, и ячейки переходят в состояния «0» или «1». Эта структура известна как 2D.

Структура 2D применяется только в запоминающих устройствах с небольшой ёмкостью. С увеличением объёма памяти сложность дешифратора возрастает, потому что число его выходных линий равно количеству хранимых слов. Для устройств с большой ёмкостью была разработана усовершенствованная структура 2DM. В этой конфигурации активированный выход дешифратора по-прежнему выбирает целую строку ячеек памяти, но длина этой строки превышает разрядность хранимых слов.

В структуре 2DM строки матрицы делятся на блоки, каждый из которых хранит несколько слов. Для выбора слова в строке используются дополнительные разряды адресного кода. Длина строки равна m2^k, где m — разрядность хранимых слов, а 2^k — количество слов в строке. Таким образом, каждый участок строки длиной 2^k хранит все однобитовые разряды слов, что позволяет эффективно организовать доступ к данным в ЗУ большой емкости.

В структуре 2DM число мультиплексоров зависит от количества бит в слове, что позволяет сформировать полное выходное слово на их выходах. Когда сигнал CS (Chip Select) активен, он подаётся на входы OE (Output Enable) управляемых трёхступенчатых буферов. Это обеспечивает передачу выходного слова на внешнюю шину данных.

Эта структура 2DM применяется не только в постоянных запоминающих устройствах (ROM), но и в оперативной памяти (RAM), где происходят операции чтения и записи. В таких RAM управляемые буферы данных заменяют мультиплексоры. Они выполняют не только функции мультиплексирования и вывода данных на шину DO (Data Out), но и приёма данных с шины DI (Data In), а также создают сигналы записи для соответствующих ячеек памяти.

Процесс передачи данных контролируется сигналом R/W (Read/Write), а управляемые буферы данных находятся под управлением дешифратора адреса.