18. Оперативті жадылық құрылғы

Қажеттілігі: Мағлұматты сақтауға арналған құрылғылар автоматты және есептеу техникасының маңызды түйіндеріне жатады. Массиві шағын код түріндегі сөздерді сақтау үшін регистрларды қолдануға болады. Егер ондаған сөздерді сақтау қажет болған жағдайда, регистрларды қолдану мағынасыз үлкен шығынға ұшыратады. Үлкен массивті сөздерді сақтау үшін микросхема түрінде жасалған, әрқайсысында мыңдаған бит көлеміндегі сөздерді сақтауға болатын жадылық құрылғылар қолданылады. Сондықтан жадылық құрылғылардың жұмыс істеу принципін білудің, оларды басқару әдісін меңгерудің, әсіресе, цифрлық электроника саласында еңбек етуші мамандар үшін маңызы зор.

Жұмыстың мақсаты: Интегралдық микросхема түрінде жасалған әртүрлі опертивті жадылық құрылғылармен танысу, мағлұматты-параллель кодпен, мағлұматтың адресін параллель-кезекші кодпен енгізу, жазылған мағлұматты оқу және жадылық құрылғының жылдамдығын анықтау.

Студент білуі тиіс:

1. Цифрлық жадылық құрылғылардың аналогты құрылғылардан ерекшеліктерін.

2. Жадылық құрылғылардың классификациясын.

3. Жадылық құрылғылардың логикалық құрылымын.

4. Жадылық құрылғылардың мағлұматты жазуға және оқуға арналған күшейткіштерінің міндетін.

5. Жазылатын және оқылатын мағлұматтың адресін анықтауды.

6. Оперативті жадылық құрылғының негізгі сапалық көрсеткіштерін.

7. Жадылық элементтер массивін құру принципін.

8. Оперативті жадылық құрылғының қолдану аясын.

Студент меңгеруі тиіс:

1. Графикалық шартты белгісі бойынша оперативті жадылық құрылғының функционалдық мүмкіндіктерін анықтауды.

2. Оперативті жадылық құрылғыға мағлұматты орналастыруды.

3. Жазылатын мағлұматтың адресін параллель және параллель-кезекші кодпен көрсетуді.

4. Оперативті жадыға жазылған мағлұматты қатесіз оқуды.

5. Бір микросхеманың сыйымдылығынан үлкен көлемді мағлұматты орналастыруға болатын оперативті жадыны құрастыруды.

6. Оперативті жадының жылдамдығын анықтауды.

Жұмыстың қысқаша мазмұны

Цифрлық жадылық құрылғылар цифрлық кодпен дайындалған мағлұматтың үлкен-үлкен массивтерін жазу, сақтау және тасымалдау үшін қолданылады. Цифрлық жадылық құрылғыларды түрлі сипаттарға байланысты ажыратуға болады. Олар функционалдық міндетіне, мағлұматты сақтау және шығару әдісіне, орындалуының технологиялық тәсіліне байланысты және т.б. көрсеткіштері бойынша топталады. Функционалдық міндетіне байланысты жадылық құрылғылар оперативті, тұрақты және қайтадан программаланатын болып ажыратылады. Оперативті жадылық құрылғы мағлұматты жазу, сақтау және оқу амалдарын тек ток көзінің энергиясы бар кезде орындайды. Ағылшын терминологиясы бойынша оперативті жадылық құрылғы (ОЖҚ) RAM (random access memory) – еркін қатынас жасауға болатын жады деген ұғым арқылы танымал.

ОЖҚ мағлұматты сақтаудың екі түрлі әдісін пайдалану арқылы орындалады: триггерлермен және конденсаторлы жинақтағышпен. Триггерлермен орындалған ОЖҚ-статикалық деп, конденсатормен орындалған ОЖҚ динамикалық деп аталады. Соған сәйкес, оларға ағылшын терминологиясы бойынша SRAM және DRAM деген атаулар берілген. ОЖҚ сақталатын мағлұматтар қорын цифрлық қондырғының процессоры арқылы айрықша жоғары жылдамдықпен алмастырып отыру үшін қолданылады. Сонымен қатар, ОЖҚ өңдеуші программаларды, бастапқы өңделетін мағлұматты, өңдеу нәтижелерінің аралық және соңғы мәндерін сақтау қызметін де атқарады. Ток көзі энергиясы ажыраған кезде ОЖҚ-дағы барлық мағлұмат жойылады.

Тұрақты жадылық құрылғы (ТЖҚ) алдын-ала жазылған, ток көзі ажыраған кезде жойылуға болмайтын және өзгеріске ұшырамайтын мағлұматты сақтау үшін қолданылады. ТЖҚ екі режимде жұмыс істеуге арналып құрылады: мағлұматты сақтау режимі және оны жоғары жылдамдықпен оқу режимі. ТЖҚ-да жазу режимі болмайды. Көбінесе, ТЖҚ-да цифрлық құрылғы жаңадан қосылған кезде, әр жолы өзгеріске ұшырамайтын алгоритмді қайталап пайдалана беруге арналған программалар сақталады. Сонымен қатар, автоматты қондырғыларда жазылған программаларды өзгертуге болатын ТЖҚ-лар да кездеседі. Оларды қайта программаланатын жадылық құрылғы деп атайды. Әрине, бұл амалдың оперативті жадыға мағлұматты жазу амалынан өзгеше екенін ажырата білу қажет. Мағлұматты жазу арқылы сақтау мен құрылғыны қайта программалаудың арасында үлкен айырмашылық бар. Жаңадан жазылған программа келесі бір өзгергенше өшірілмей, үздіксіз қайталанып пайдалана беріледі.

Аталмыш жадылық құрылғылар есептеу техникасының ішкі жадылық құрылғылары болып саналады. Олар мағлұматты тез арада қабылдап, жылдам өңдеу үшін қолданылады. Солармен бірге үлкен көлемді мағлұматты сақтау үшін қолданылатын жадылық құрылғылар да бар. Мұндай құрылғылар лазерлік және магниттік дискілермен, магниттік ленталармен, ФЛЭШ-карталармен жасалынады. Жазылған мағлұматты іздеу тәсілі бойынша жадылық құрылғылар көрсетілген адрес бойынша іздеу салынатын және адрессіз болып бөлінеді. Адресті жадылық құрылғылар жазылған мағлұмат сақталатын жадылық ұяшықтардан құралады. Әрбір ұяшыққа номер беріледі. Осы номер оның адресі болып саналады. Сақтауға жіберілген мағлұматқа осы адрес бойынша іздеу салынады. Адрессіз жадылық құрылғылар ассоциативті деп аталады. Бұл құрылғылардағы мағлұматты іздестіру оған ғана тән қасиет бойынша жүргізіледі.

Жадылық құрылғының ұяшықтарының саны N болса, олардың әрқайсысында n – разрядты сөз жазылуы мүмкін. Әрбір ұяшыққа берілген номер екілік сандармен өрнектеледі және сол ұяшықтың адресі болып табылады. Жадылық құрылғыда сақталатын мағлұматтың максимал мәні оның сыйымдылығы деп аталады. Құрылғының сыйымдылығын ұяшықтың номерін N оларда сақталған сөздің разрядына көбейту арқылы анықтайды .Ұяшықтардың разряды байт өлшемінен бірнеше есе үлкен болып тағайындалады (1байт = 8 бит). Сондықтан жадылық құрылғының сыйымдылығы – байт арқылы, ал оның жылдамдығы іздестіру уақытымен Z_в және жазу циклымен Z_s бағаланады. Іздестіру уақыты Z_в дегеніміз берілген команда мен анықталған мағлұматтың табылу уақыттарының айырмашылығы. Жазу циклы Z_s іздестірілуге берілген команда уақыты мен жадылық құрылғыға қатынас жасауға болатын келесі уақыт аралығының минималды мәні.

ОЖҚ-ның типтік құрылымы 1-суретте көрсетілген. Жадылық құрылғыға келтірілген мағлұмат жинақтағышта сақталады. Жинақтағыш дегеніміз жолдар мен бағаналар бойынша жадылық элементтерден тұратын матрица. Әрбір жадылық элемент лог. «0», немесе лог. «1» түріндегі 1 бит көлеміндегі мағлұматты сақтауға арналады. Жинақтағыштағы элементті табу үшін оның адресі жол мен бағананың қиылысы ретінде көрсетіледі. Элементтің адресі екілік кодпен берілген сан түрінде адрестік шина арқылы адрестік регистрде сақталады. Әдетте, жолдар мен бағаналар саны екінің бүтін санды дәрежесімен анықталады. Егер жолдардың саны бағаналардың саныболса, матрицадағы барлық элементтердің саны, яғни жинақтағыш матрицаның мағлұматтық көлемі:

мұндағы -адрес разрядтарының саны.

Мысалы, адрес разрядтарының саны Жинақтағыштың көлеміЖолдар мен бағаналардың таңдалу мүмкіндігі. Ендеше, олардың саны өзара тең:. Жадылық құрылғылар түрінде жасалған микросхемаларұяшықтардың разряды мен санын еселеу арқылы сыйымдылықты көбейтуге мүмкіндік береді. Нәтижесінде, бір типті жадылық микросхемаларды белгілі тәртіппен өзара қосу арқылы кез-келген көлемдегі жадылық құрылғыны жасауға және оны қажетті талапқа сай ұйымдастыруға мүмкіндік бар.

1-сурет. Еркін қатынастағы жадылық құрылғының логикалық құрылымы.

Бұл жұмыста К155РУ2 микросхемасымен құрылған төрт разрядты 16 сөздік көлемдегі басқару схемасы мен адресті толық анықтаушысы (дешифраторы) бар жадылық құрылғының принциптері қарастырылады. Яғни, жадылық құрылғының жалпы көлемі 4 разрядты 16 сөзбен шектеледі. Микросхеманың құрамындағы дешифратор DC оның адрестік кірісіне А1÷А4 келтірілген екілік код бойынша 4 разрядты 16 сөздің (мағлұматтың) біреуін таңдайды (2-сурет). Сол үшін дешифратордың оқуға рұқсат етуші кірісінде лог. «0» сәйкес шама (V=0) тағайындалады. Егер болса, ешбір мағлұмат оқылмайды. Оперативті жадының жұмысы келесі кесте бойынша жүргізіледі:

V	W	D	Жұмыс режимдері	Q
1	1	0	Сақтау	1
0	1	0	Оқу	Оқылатын санның инверсті коды
0	0	1	1 Жазу	0
0	0	0	0 Жазу	0
1 1	0 0	1 0	Тиым салу	0 1

Сонымен бірге мкиросхеманың құрамында 64 жадылық элементтен тұратын матрица М, төрт оқыту-жазу күшейткіштері және мағлұматты өткізуші 5 логикалық элемент бар. Дешифратордың кірісінеV жоғары потенциалды шама – лог. «1» берілсе, матрицадағы мағлұматты оқуға және оған бір нәрсе жазуға тыйым салынады. Матрицаға мағлұматты жазу D1÷D4 кірістік тізбектері арқылы параллель тура кодпен жүргізіледі. Сол үшін W=0, V=0 болуы міндет. Жазылатын мағлұматтың адресі адрестік кіріс А0÷А3 тізбектеріне келтірілген екілік тура кодпен тағайындалады. Сақтаулы мағлұматты оқу үшін оның матрицадағы адресі A0÷A3 кірістеріне келтірілген екілік тура кодпен көрсетіліп, V=0, W=1 шамалары тағайындалады. Оқылған мағлұмат Q1÷Q4 тізбектерінен

жазылған мағлұматқа қарағанда инверсті кодпен өндіріледі. Өндірілген мағлұмат қосымша күшейтіліп шығарылады. Транзисторлы күшейткіштердің коллекторлық тізбектері ашық болып құрылған. Бұл жағдай бірнеше микросхемаларды НЕМЕСЕ элементі арқылы біріктіруге мүмкіндік туғызады. К155РУ2 микросхемасымен орындалған ОЖҚ-ның графикалық шартты көрінісі 3-суретте келтірілген.

3-сурет. К155РУ2 микросхемасымен құрылған ОЖҚ-ның графикалық – шартты көрінісі.

Микросхеманың жоғарыда аталған ерекшеліктері түгелдей шартты көріністен табылады. Кіріс тізбектеріндегі кіші шеңберлер сол тізбектегі амалдардың V және W сигналдарының төменгі (лог. «0») потенциал арқылы орындалатынын көрсетеді. Q1÷Q4 тізбектеріндегі шеңберлер микросхеманың шығысындағы мағлұматтың инверсті кодпен өндірілетінін суреттейді.

Оперативті жадының негізгі бөлігі – жадылық элементтердің матрицасы. Әрбір жадылық элемент көп эмиттерлі транзисторлармен құрылған триггер түрінде жасалған (4-сурет). Жазылған мағлұматты таңдау екі адрестік шина арқылы жүргізіледі. Шиналардың біреуі-жолдық дешифратордың DCS шығысымен, екіншісі бағаналық дешифратордың DCK шығысымен жалғасады. Бұл шиналар әрбір транзистордың эмиттерлік электродтарымен байланысқан. Транзисторлардың үшінші эмиттерлік электродтары жазылған мағлұматты оқу үшін немесе жаңа мағлұматты жазу үшін қолданылады. Бұл информациялық шина D әрпімен белгіленген. Жадылық элементтің бір транзисторы-қанығу режимінде, екіншісі шектелу режимінде жұмыс істейді. Егер элемент таңдауға ілікпесе, адрестік шинаның біреуінде, яғни транзистордың VT2 бір эмиттерінде төменгі деңгейдегі (L) потенциал туындайды. Жадылық элементті таңдау екі адрестік шинаға бірдей жоғары потенциалдық (Н) кернеу беру арқылы жүргізіледі. Сол кезде ашық транзистордың мағлұматты оқитын эмиттері арқылы екіншіге қарағанда үлкен ток өтеді. Осы ток информациялық шинамен (немесе) байланысқан екі күшейткіштің бірімен қосымша күшейтіледі. Жазылған мағлұматты оқу процесі элементтің күйін өзгеріске ұшыратпайды, яғни элементтегі сақтаулы мағлұмат адрестік шинаға келтірілген жоғары потенциалдың (Н) әсерінен жоғалып кетпейді.

Мағлұматты жаңадан жазу кезінде оқуға арналған эмиттерлер элементті жаңа күйге ауыстыру үшін қолданылады. Жаңа жағдайда ашық болатын транзистордың эмиттеріне төменгі (L) потенциал беріледі. Жабық болатын транзистордың эмиттеріне сол

кезде жоғары (Н) потенциал келтіріледі. Нәтижесінде, информациялық шинадағы D мағлұмат жадылық элементке орналасады.