Запоминающие устройства

1.

ЗАПОМИНАЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА

2.

Информация, циркулирующая в вычислительной
системе в виде двоичных слов, хранится в
памяти. В зависимости от места нахождения в
вычислительной системе память подразделяется
на внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя память имеет сравнительно
небольшой объем. Она входит в состав
вычислительной системы и непосредственно
участвует в обмене информацией с процессором
в процессе вычислений.
Внешняя память дополняет и расширяет
возможности внутренней памяти.

3.

Микросхемы памяти (или просто память,
или запоминающие устройства — ЗУ,
английское "Memory") представляют собой
следующий шаг на пути усложнения
цифровых микросхем по сравнению с
микросхемами, рассмотренными
ранее. Память — это всегда очень сложная
структура, включающая в себя множество
элементов. Память предназначена для
запоминания, хранения каких-то массивов
информации (наборов, таблиц, групп
цифровых кодов).

4.

Внутренняя память
Представляет собой полупроводниковые
запоминающие устройства (ЗУ).
Полупроводниковые ЗУ выполняются на
больших интегральных схемах (БИС).
Информация в ЗУ представляется nразрядными двоичными словами.

5.

ЗУ имеет регулярную структуру, т.е. состоит из
однотипных ячеек памяти (ЯП).
ЯП предназначена для хранения одного
двоичного слова.
ЯП состоят из фиксированного числа
элементов памяти (ЭП).
ЭП хранит один бит двоичного слова.
Каждая ЯП имеет уникальный номер (адрес),
задаваемый m-разрядным двоичным кодом.

6.

Организация памяти
В памяти может храниться N n-разрядных слов.

7.

Режимы работы памяти:
• Занесение информации в память – запись;
• Выборка информации из памяти –
считывание;
• Хранение информации
Операции «запись» и «считывание»
называются обращением к памяти.
Чтобы обратиться к конкретной ячейке
памяти, необходимо указать ее адрес.

8.

В режиме записи необходимо:
• Организовать обращение по адресу ячейки,
где будет размещена информация;
• Подать записываемую информацию;
• Подать сигнал «Запись»
В режиме хранения обращение по адресу не
производится, ячейки оказываются
недоступными.
В режиме считывания необходимо:
• Организовать обращение по адресу ячейки,
где хранится информация;
• Подать сигнал «Чтение».

9.

Основные характеристики памяти
• Организация (оценивается количеством ЯП
и их разрядностью). Обозначается Nxn.
• Информационная емкость (М) –
максимальное количество информации,
которое может храниться в ЗУ.
Определяется по формуле:
М = N · n (бит)

10.

Единицы измерения информации:

11.

• Быстродействие (определяется временем
обращения к ЗУ)
При записи время обращения tобр. складывается из
времени поиска ячейки по адресу tа, времени
стирания старой информации tст (при
необходимости) и времени записи информации в
найденную ячейку tз:
tобр. = tа + tст + tз
При считывании время складывается из времени
поиска ячейки по адресу tа и времени затраченного
на считывание информации из найденной ячейки
tсч и времени восстановления информации tвос
(при разрушающем считывании):
tобр. = tа + tсч + tвос

12.

Классификация внутренней памяти по
функциональному назначению

13.

Классификация внутренней памяти по
способу обращения

14.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)
БИС ОЗУ предназначены для
кратковременного хранения оперативной,
часто изменяющейся информации.
ОЗУ является энергозависимой памятью, т.е.
при отключении питания информация в ОЗУ
разрушается.
Микросхемы ОЗУ обозначаются RAM (Random
Access Memory - память с произвольным
доступом) , т.е. подразумевают возможность
обращения к любой ячейке в произвольном
порядке.

15.

По способу хранения информации
микросхемы ОЗУ подразделяются на
статические и динамические.
В динамических ОЗУ (DRAM) элемент памяти
строится на конденсаторе (при записи «1»
конденсатор заряжается, а при записи «0» –
разряжается). При считывании происходит
опрос заряда конденсаторов. Состояние
элементов памяти определяется по наличию
или отсутствию тока считывания в разрядной
шине. Наличие тока воспринимается как лог.
«1».

16.

При считывании происходит разряд
конденсатора (разрушающее считывание),
поэтому специальные схемы снова
подзаряжают конденсаторы (регенерация).
Также к разряду конденсаторов за счет утечки
токов приводит долгое отсутствие
обращения. Поэтому динамическая память
требует постоянной подзарядки, т.е. может
работать только в динамическом режиме.

17.

В статических ОЗУ (SRAM, RAM) элемент
памяти представляет собой триггер, в
который может быть записана информация и
из которого можно информацию читать, при
этом информация может храниться без
обращения сколь угодно долго при наличии
питания, т.е. в статическом режиме. SRAM
имеет более высокое быстродействие по
сравнению с DRAM. Но из-за относительно
высокой стоимости хранения информации
SRAM не используется в качестве основной
памяти, на них строят вторичный кэш.

18.

Структурная схема статического ОЗУ
Микросхемы ОЗУ состоят из
накопителя и схем
управления.
Накопитель предназначен
для хранения информации и
представляет собой матрицу
элементов памяти. Число ЭП
определяет информационную
емкость микросхемы.
Схемы управления позволяют
производить поиск, ввод и
вывод информации.

19.

• Накопитель состоит из
элементов матрицы
nxN, где n – номера
столбцов или
разрядов хранимого
слова, N – номера
строк. Элементы
памяти строки
образуют ячейку
памяти для хранения
n-разрядного слова.
Накопитель информации

20.

• Дешифратор адресного кода Аm-1…А1А0
(mx2m) предназначен для активации одной
из адресных шин при поступлении сигнала
выбора (активный сигнал на CS).
• Формирователь записи реализует режим
записи входного n-разрядного слова DIn1…DI1DI0 (Data Input – входные данные) при
подаче активного сигнала для записи на
W/R (W – запись). Формирователь
содержит усилители записи, количество
которых равно количеству разрядов слова.

21.

• Усилители считывания реализуют режим
чтения содержимого ячейки ОЗУ при
подаче активного сигнала для считывания
на W/R (R – чтение). С выходов усилителей
считывается выходное n-разрядное слово
DОn-1…DО1DО0 (Data Output – выходные
данные).

22.

УГО микросхемы ОЗУ в общем виде
Микросхемы ОЗУ
имеют три типа
выводов:
• Информационные
• Адресные
• Управляющие

23.

На информационные входы DIn-1…DI1DI0
поступают n-разрядные входные данные,
которые необходимо записать в ячейку.
С информационных выходов DOn-1…DO1DO0
выводится содержимое ячейки в режиме
считывания. (Наибольшее распространение
получила одноразрядная организация
микросхем ОЗУ.)
На адресные входы Аm-1 ….A1А0 подается mразрядный адрес ячейки, к которой
производится обращение.
На управляющие входы подаются сигналы,
определяющие режим работы микросхемы.

24.

Микросхема ОЗУ может работать в трех
режимах: хранения и режимы обращения
(записи и считывания).
Вход CS (Crystal select – выбор кристалла)
«разрешает» обращение к микросхеме. При
пассивном сигнале на CS микросхема
находится в режиме хранения (обращение к
ней запрещено, ЯП недоступны).

25.

Вход WR/RD (W/R) или RD/WR (R/W) – вход
записи/чтения (write/read) определяет тип
обращения.
Он может быть двух видов:
(W/R) :
(R/W) :

26.

В отечественных сериях микросхемы ОЗУ
имеют буквенный код РУ. Например,

27.

Одноразрядная оперативная память в
основном бывает с раздельными шинами
входных и выходных данных.
Многоразрядная оперативная память как
правило бывает с двунаправленной
(совмещенной) шиной входных и выходных
данных. Микросхемы в этом случае имеют
двунаправленные выводы (входы/выходы),
на которых в режиме записи присутствует
записываемая информация, а в режиме
считывания отображается содержимое
запрашиваемой ЯП.

28.

Например,
Микросхемы имеют выходы 3С, что позволяет
отключать их от шины, переводя в состояние Z.

29.

Исходя из разрядности адресной шины
микросхемы, можно рассчитать количество
различных адресов , а следовательно можно
определить количество ячеек.
По разрядности шины данных можно
определить длину ячейки.
Зная количество ячеек и их длину можно
определить организацию микросхемы и ее
информационную емкость.

30.

Например, определить организацию и
информационную емкость микросхемы ОЗУ
К565РУ2, организовать запись «1» в 109 ячейку
памяти.
n = 1 (микросхема имеет 1-разрядную
выходную шину данных);
N = 210 (разрядность адресной шины – 10).
Таким образом, организация микросхемы:
1024х1 (1024 1-разрядных ЯП).
Информационная емкость:
М = 1024 (бит) = 1 Кбит

31.

Организация режима записи
заданного слова в указанную
по номеру ячейку:
1)необходимо определить
адрес ячейки и подать его на
адресные входы:
А9 А8 А7 А6 А5 А4 А3 А2 А1 А0
0 0 0 1 1 0 1 1 0 1В
109D =
2) Подать записываемое
слово на DI;
3) обеспечить подачу
управляющих сигналов для
режима записи:
W/R = 0; CS = 0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
0

32.

Задания для самостоятельной работы:
1. Определить организацию микросхем ОЗУ
К541РУ1, К541РУ2 и рассчитать их
информационную емкость.
2. Обеспечить запись в 357 ячейку памяти
микросхемы К541РУ2 числа 1110. Показать
на УГО микросхемы сигналы, которые
необходимо подать для обеспечения
заданной операции.

33.

Построение модуля ОЗУ заданного
объема
Микросхемы оперативной памяти
довольно часто объединяются для
увеличения разрядности данных (длины
обрабатываемого слова) или
разрядности адреса (количества ячеек).

34.

Наращивание разрядности
обрабатываемого слова
Для этого микросхемы ОЗУ соединяются
параллельно. Входы CS всех микросхем
объединяются, также объединяются входы
W/R. На все микросхемы одновременно
подается один и тот же адрес.
При записи на каждую микросхему подаются
соответствующие разряды записываемого
слова.

35.

Например, увеличение разрядности данных в
два раза:

36.

Наращивание количества ячеек памяти
Для этого микросхемы соединяются
последовательно. Для увеличения количества
ячеек вдвое достаточно 2-х микросхем ОЗУ.
Входы CS всех микросхем объединяются,
также объединяются входы W/R.
Данные подаются одновременно на все
микросхемы. Младшие разряды адреса
подаются одновременно на обе микросхемы,
а значение старшего разряда адреса будет
определять какая микросхема ОЗУ активна.

37.

Например, увеличение разрядности адреса на
1 бит (т.е. наращивание в 2 раза количества
ячеек):

38.

Если необходимо увеличить количество ячеек
более чем в 2 раза, то применяют дешифратор.
Младшие разряды адреса подаются
одновременно на все микросхемы ОЗУ, а
старшие – на входы дешифратора. Выходные
сигналы дешифратора разрешат работу только
одной микросхемы. В результате на общую
шину данных всех ОЗУ информацию будет
выдавать только одна микросхема.

39.

Например, увеличение количества ячеек в 4 раза
(увеличение разрядности адреса на 2 бита):

40.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)
ПЗУ служат для длительного хранения
постоянной информации, не изменяющейся в
процессе работы компьютера (системной
информации – BIOS, микропрограмм,
подпрограмм, тестовых программ, таблиц,
констант). Основной режим работы ПЗУ –
режим многократного считывания заранее
записанной информации.
ПЗУ являются энергонезависимой памятью,
т.е. при отключении питания информация
сохраняется.

41.

Основным элементом, используемым для
обеспечения хранения информации, является
перемычка на определенном участке
электрической цепи. При наличии перемычки
возникает цепь для протекания тока
(состояние лог. «1»), при отсутствии
перемычки цепь для протекания тока
отсутствует (состояние лог. «0»).
Процесс организации перемычек называется
программированием ПЗУ («прошивкой»).

42.

В ПЗУ запись информации (программирование)
производится заранее вне вычислительного
устройства с применением дополнительных
технологических операций, таких как
напыление перемычек или их разрушение с
помощью специальной установки программатора.
По способу занесения информации ПЗУ делятся
на три типа: масочные ПЗУ, программируемые
пользователем (ППЗУ) и репрограммируемые
или перепрограммируемые пользователем
(РПЗУ).

43.

Масочные ПЗУ
Этому типу памяти соответствует обозначение
ROM (Read Only Memory — память только для
считывания). Запись информации в память
производится в процессе изготовления
микросхемы на заводе-изготовителе.
Информация заносится с помощью
специального фотошаблона (маски) и
впоследствии не может быть изменена
пользователем. Микросхема работает в двух
режимах: хранения и считывания.

44.

Масочные ПЗУ используются лишь при
выпуске больших партий устройств с одной и
той же прошивкой.
Эти ПЗУ обладают самым высоким
быстродействием среди энергонезависимых
ЗУ. Готовая запрограммированная
микросхема имеет низкую стоимость,
обладает высокой надежностью и
устойчивостью к электромагнитным полям.
Но после изготовления записывать и
модифицировать данные в ней невозможно.

45.

УГО масочного ПЗУ в общем виде:

46.

Программируемые ПЗУ (ППЗУ)
Этому типу ПЗУ соответствует обозначение
PROM (Programmable Read Only Memory).
Микросхема поступает к пользователю с
полным набором возможных перемычек,
пользователь с помощью программатора
самостоятельно программирует (пережигает)
перемычки в соответствии со своими
задачами. Программирование производится
однократно, дальнейшее ее изменение
невозможно. В дальнейшем микросхема
работает только для считывания.

47.

УГО программируемого ПЗУ в общем виде:

48.

ППЗУ также имеют высокую надежность
готовой микросхемы и устойчивы к
электромагнитным полям и радиации.
Возможность программировать готовую
микросхему создает удобства для штучного
мелкосерийного производства. Эти
микросхемы также имеют высокое
быстродействие. Но перезаписывать
информацию в них невозможно. Кроме того,
для надежности хранения данных
необходима специальная длительная
термическая «тренировка».

49.

Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ)
Этому типу ПЗУ соответствует обозначение RPROM
(EPROM) или EЕPROM. Микросхема допускает
многократное программирование
пользователем.
РПЗУ способны практически бесконечно долго
хранить информацию при отключении питания и в
то же время допускают многократное ее
изменение. Но в отличие от ОЗУ обладают
высоким быстродействием только в режиме
считывания. Стирание информации и запись
требуют длительного времени и может
осуществляться когда устройство останавливает
свою работу.

50.

RPROM (EPROM) – Erasable Programmable ROM –
микросхемы, информация в которых стирается
ультрафиолетовым излучением через
специальное прозрачное окошко в корпусе
микросхемы (в настоящее время практически
вытеснена с рынка EEPROM и Flash).
EЕPROM – Electrically Erasable Programmable ROM
– микросхемы, информация в которых стирается
электрическими сигналами (более дорогостоящая
по сравнению с EPROM).
Запись информации в любые РППЗУ производится
с помощью подачи определенных
последовательностей электрических сигналов.

51.

Для прошивки РПЗУ используется программатор.
Некоторые РПЗУ можно программировать прямо
в целевом устройстве, подключая внешний
программатор. До недавнего времени эти ПЗУ
были самыми распространенными носителями
BIOS как на системных платах, так и в адаптерах.
В настоящее время наиболее распространена
EEPROM программируемая в целевом
устройстве с использованием программы
процессора – Flash-память (Flash Erase EEPROM).
Пользователь может самостоятельно
модернизировать BIOS своего компьютера с
помощью программы перезаписи flash-памяти.

52.

Элементарная ячейка хранения данных flash-памяти
представляет из себя транзистор с плавающим
затвором. Особенность такого транзистора в том, что
он умеет удерживать электроны (заряд).
Стирание выполняется для определенного блока
ячеек (кластера, кадра, страницы) или полностью всей
микросхемы, стирание одной ячейки невозможно. Это
повышает производительность в режиме записи.
Перезаписывать такую память можно ограниченное
число раз (около 1000 циклов перезаписи). Режим
чтения не отличается от чтения любой другой памяти
– подается адрес ячейки и на выходе выводятся
данные. Читать данные можно неограниченное число
раз.

53.

Условно-графическое обозначение FLASH
памяти на принципиальных схемах

54.

NVRAM (Non Volatile Random Access
Memory) – общее название
энергонезависимых ОЗУ. Хотя по сути они
таковыми не являются. Например,
микросхема RTC (Real Time Clock, часы
реального времени), которая помнит не
только время, но и все настройки BIOS
Setup, представляет собой, по
сути, оперативную память (RAM). Все
настройки в ней сохраняются, т.к. она имеет
независимый источник питания – батарею
гальванических элементов.