Запоминающие устройства

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими ЦУ. Микросхемы памяти в общем объеме выпуска ИС занимают около 40% и играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ.

Важнейшие параметры ЗУ находятся между собой в противоречии. Так, например, большая информационная емкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому системам памяти свойственна многоступенчатая иерархическая структура, и в зависимости от роли того или иного ЗУ его реализация может быть существенно различной.

В развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни:

· регистровые ЗУ, находящиеся в составе процессора, благодаря которым уменьшается число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большего времени для операций обмена информацией;

· кэш-память, служащая для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Работа процессора с кэш-памятью высокого быстродействия повышает производительность ЭВМ;

· основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная), работающая в режиме обмена с процессором и по возможности согласованная с ним по быстродействию. Исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;

· специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфических архитектур (ассоциативные, видеопамять и др.),

· внешняя память, хранящая большие объемы информации. Эта память обычно реализуется на основе устройств с подвижным носителем формации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др.) В настоящем пособии устройства внешней памяти не рассматриваются

Основные параметры

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой формации. Выражается в битах или словах (в частности, в байтах). Бит хранится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово – запоминающей ячейкой (ЗЯ), т.е. группой ЗЭ, к которым возможно лишь одновременное обращение.

Организация ЗУ – произведение числа хранимых слов на их разрядность Видно, что это произведение выражает информационную емкость ЗУ, однако при одной и той же информационной емкости организация ЗУ может быть различной, так что организация является самостоятельным важным параметром, выражаемым парой чисел. Примеры организации памяти: 32x8, I28Kx8.

Быстродействие ЗУ оценивают временами считывания, записи, длительностями циклов чтения/записи и другими параметрами. Время считывания – интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ. Время записи – интервал после появления сигнала записи, достаточный для установления ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом. Минимально допустимый интервал между последовательными повторными операциями чтения или записи образует соответствующий цикл. Длительности циклов могут превышать времена чтения или записи, т.к. после этих операций до начала следующей может потребоваться время для восстановления необходимого начального состояния ЗУ.

Времена чтения, записи и длительности циклов – традиционные параметры, достаточные для оценки быстродействия простых структур ЗУ. Для многих современных ЗУ они должны быть дополнены новыми. Причиной является более сложный характер доступа к хранимым данным, когда обращение к первому слову некоторой группы слов (страницы, пакета) требует большего времени, чем обращение к последующим. Для таких режимов вводят параметры времени доступа при первом обращении (Latency) и темпа передач для последующих слов пакета.

Применительно к ЗУ используется также параметр, называемый полосой пропускания или производительностью, и определяемый как произведение числа считываемых (или записываемых) в секунду слов на их разрядность. Например, ЗУ с темпом передачи слов 50 МГц при их разрядности 8 бит имеет полосу пропускания (производительность) 400 Мбит/с.

Перечисленные динамические параметры являются эксплуатационными (измеряемыми). Кроме них существует ряд режимных параметров, обеспечение которых необходимо для нормального функционирования ЗУ, поскольку оно имеет несколько сигналов управления, сигналы адресации данных и самих данных и для них должно быть обеспечено определенное взаимное положение во времени. Для этих сигналов задаются длительности и ограничения по взаимному положению во времени.

Важным для микросхем памяти является свойство энергонезависимости, т.е. способность ЗУ сохранять данные при отключении напряжения питания. Энергонезависимость может быть естественной, т.е. присущей самим ЗЭ, или искусственной, достигаемой введением резервных источников питания, автоматически подключаемых к накопителю ЗУ при снятии основного питания или же дополнением схемы ЗУ специальными вспомогательными энергонезависимыми элементами памяти.