4. Состав, устройство и принцип действия основной памяти.
А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А Кириченко — Выч. машины, сети и телек-ые системы
Основная память включает два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, или RAM — Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или ROM — Read Only Memory).
ОЗУ хранит переменную информацию, допускает изменение своего содержимого, работает в режимах записи, чтения и хранения. ПЗУ хранит неизменную информацию (стандартные программы системы, константы), работает в режимах чтения и хранения. Информация в ПЗУ заносится перед установкой микросхемы в ЭВМ. ПЗУ, в отличие от ОЗУ, является энергонезависимой памятью.
Микросхемы памяти изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов памяти на кристалле. Основная часть микросхемы – массив элементов памяти (ЭП), объединённых в матрицу накопителя. Каждый ЭП хранит 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ произвольного доступа позволяют обращаться по адресу к любому ЭП.
Адрес памяти делится на координаты X и Y, на пересечении которых находится нужный для чтения или записи ЭП. С остальным микропроцессорным железом компьютера память ОЗУ связано через системную магистраль (СМ).
По шине управления передаётся сигнал, определяющий необходимую для выполнения операцию. По шине данных передаётся информация, записываемая в память или считываемая из неё. Поскольку данные в ЭВМ передаются машинными словами, то адрес на самом деле указывает на блок элементов памяти, который состоит из N матриц ЭП, где N – кол-во разрядов в машинном слове. Максимальный объём памяти определяется количеством линий в шине адреса СМ, так как чем больше диапазон передаваемых адресов, тем больше можно адресовать блоков памяти (32 линии = 2^32 = 4 Гб).
Память может строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП. В качестве статического ЭП часто выступает статический триггер. В динамическом ЭП может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла. Статические ЭП сохраняют своё состояние (заряд или его отсутствие) неограниченное время (при включённом питании), а динамические ЭП с течением времени теряют заряд, что может привести к потере информации, если не производить периодическое восстановление заряда (регенерацию ЭП).
Динамический ЭП имеет меньшее число компонентов, чем статический аналог, что позволяет более плотно упаковывать динамическую память на кристалле, но потребность в регенерации создаёт более сложные схемы управления. Основные характеристики ОЗУ — объём и быстродействие.
Микросхемы ПЗУ также имеют матричную структуру, но функции ЭП в них выполняют перемычки из проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. Информацию в ПЗУ заносят при помощи специального устройства – программатора, а процесс занесения данных называет программированием. Оно заключается в прожигании перемычек по тем адресам матрицы, где должен храниться «0». Обычно схемы ПЗУ допускают только одно программирование, но есть и специальные репрограммируемые схемы ПЗУ (РПЗУ). ПЗУ энергонезависимы и могут длительное время хранить данные, а стирание достигается за счёт подачи специального стирающего напряжения, либо за счёт воздействия ультрафиолетового излучения на кристалл через специальное прозрачное окно в корпусе.
Сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) используются для хранения небольших объёмов данных и имеют скорость считывания/записи в 2–10 раз лучшую, чем у основной памяти. Строятся они на регистрах и регистровых структурах.
Информация в регистр может заносится параллельно во все разряды, либо последовательно через один из крайних разрядов с последующим сдвигом имеющейся информации. Объединяясь в структуру, регистры формируют СОЗУ различного типа в зависимости от способа доступа к ним: СОЗУ с произвольным доступом, если можно адресовать любой регистр; СОЗУ магазинного типа, где регистры соединены последовательно, а доступ к ним осуществляется по принципу стека или очереди; СОЗУ с выборкой по содержанию (ассоциативное ЗУ).
Хотя для реализации стековой памяти разработаны специальные микросхемы, чаще всего её работа эмулируется при помощи основной памяти компьютера и специального регистра в микропроцессоре, который хранит адрес ячейки в ОП, являющейся вершиной стэка. Используется такой тип памяти, например, для вычисления математических выражений или для отслеживания стэка инструкций.
СОЗУ с выборкой по содержанию ищет нужные элементы памяти по переданной битовой маске, которая хранит ту часть данных, с которой ищется совпадение. В микропроцессоре ассоциативные СОЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения и поиска адресной части команд на выполнение и операндов исполняемых команд. Такой подход позволяет выгружать в кэш заранее много данных для выполнения и искать их по маске с необходимым адресом инструкции. Обращение к ОП произойдёт только, если информация для выполнения в кэше будет отсутствовать. Кэш-память может быть размещена на кристалле процессора (внутренняя кэш-память) или выполнена в виде отдельной микросхемы или модуля микросхем (внешняя кэш-память). Современные ЦП совмещают оба вида кэшей внутри корпуса их СБИС (сверхбольших интегральных схем).