На протяжении долгого времени разработчиками создавались различные типы памяти. Они обладали разными характеристиками, в них были использованы разные технические решения. Основной движущей силой развития памяти было развитие компьютеров и центральных процессоров. Постоянно требовалось увеличение быстродействия и объёма оперативной памяти.

Страничная память

Страничная память (англ. page mode DRAM, PM DRAM) являлась одним из первых типов выпускаемой компьютерной оперативной памяти. Память такого типа выпускалась в начале 1990-х годов, но с ростом производительности процессоров и ресурсоёмкости приложений требовалось увеличивать не только объём памяти, но и скорость её работы.

Быстрая страничная память

Быстрая страничная память (англ. fast page mode DRAM, FPM DRAM) появилась в 1995 году. Принципиально новых изменений память не претерпела, а увеличение скорости работы достигалось путём повышенной нагрузки на аппаратную часть памяти. Данный тип памяти в основном применялся для компьютеров с процессорами Intel 80486 или аналогичных процессоров других фирм. Память могла работать на частотах 25 и 33 МГц с временем полного доступа 70 и 60 нс и с временем рабочего цикла 40 и 35 нс соответственно.

EDO DRAM -- память с усовершенствованным выходом

C появлением процессоров Intel Pentium память FPM DRAM оказалась совершенно неэффективной. Поэтому следующим шагом стала память с усовершенствованным выходом (англ. extended data out DRAM, EDO DRAM). Эта память появилась на рынке в 1996 году и стала активно использоваться на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше. Её производительность оказалась на 10--15 % выше по сравнению с памятью типа FPM DRAM. Её рабочая частота была 40 и 50 МГц, соответственно, время полного доступа -- 60 и 50 нс, а время рабочего цикла -- 25 и 20 нс. Эта память содержит регистр-защелку (англ. data latch) выходных данных, что обеспечивает некоторую конвейеризацию работы для повышения производительности при чтении.

SDRAM -- синхронная DRAM

В связи с выпуском новых процессоров и постепенным увеличением частоты системной шины, стабильность работы памяти типа EDO DRAM стала заметно падать. Ей на смену пришла синхронная память (англ. synchronous DRAM, SDRAM). Новыми особенностями этого типа памяти являлись использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Также память надёжно работала на более высоких частотах системной шины (100 МГц и выше).

Если для FPM и EDO памяти указывается время чтения первой ячейки в цепочке (время доступа), то для SDRAM указывается время считывания последующих ячеек. Цепочка -- несколько последовательных ячеек. На считывание первой ячейки уходит довольно много времени (60-70 нс) независимо от типа памяти, а вот время чтения последующих сильно зависит от типа. Рабочие частоты этого типа памяти могли равняться 66, 100 или 133 МГц, время полного доступа -- 40 и 30 нс, а время рабочего цикла -- 10 и 7,5 нс.

С этим типом памяти применялась технология Virtual Channel Memory (VCM). VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. VCM, помимо высокой скорости передачи данных, была совместима с существующими SDRAM, что позволяло делать апгрейд системы без значительных затрат и модификаций. Это решение нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.

Enhanced SDRAM (ESDRAM)

Для преодоления некоторых проблем с задержкой сигнала, присущих стандартной DRAM-памяти, было решено встроить небольшое количество SRAM в чип, то есть создать на чипе кеш.

ESDRAM -- это, по существу, SDRAM с небольшим количеством SRAM. При малой задержке и пакетной работе достигается частота до 200 МГц. Как и в случае внешней кеш-памяти, SRAM-кеш предназначен для хранения и выборки наиболее часто используемых данных. Отсюда и уменьшение времени доступа к данным медленной DRAM.

Одним из таких решений являлась ESDRAM от Ramtron International Corporation.

Пакетная EDO RAM

Пакетная память EDO RAM (англ. burst extended data output DRAM, BEDO DRAM) стала дешёвой альтернативой памяти типа SDRAM. Основанная на памяти EDO DRAM, её ключевой особенностью являлась технология поблочного чтения данных (блок данных читался за один такт), что сделало её работу быстрее, чем у памяти типа SDRAM. Однако невозможность работать на частоте системной шины более 66 МГц не позволила данному типу памяти стать популярным.

Специальный тип оперативной памяти -- Video RAM (VRAM) -- был разработан на основе памяти типа SDRAM для использования в видеоплатах. Он позволял обеспечить непрерывный поток данных в процессе обновления изображения, что было необходимо для реализации изображений высокого качества. На основе памяти типа VRAM, появилась спецификация памяти типа Windows RAM (WRAM), иногда её ошибочно связывают с операционными системами семейства Windows. Её производительность стала на 25 % выше, чем у оригинальной памяти типа SDRAM, благодаря некоторым техническим изменениям.

По сравнению с обычной памятью типа SDRAM, в памяти SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных (англ. double data rate SDRAM, DDR SDRAM или SDRAM II) была вдвое увеличена пропускная способность. Первоначально память такого типа применялась в видеоплатах, но позднее появилась поддержка DDR SDRAM со стороны чипсетов.

У всех предыдущих DRAM были разделены линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали выполняться на одной шине. Двумя из таких решений являются технологии DRDRAM и SLDRAM. Они получили наибольшую популярность и заслуживают внимания. Стандарт SLDRAM является открытым и, подобно предыдущей технологии, SLDRAM использует оба перепада тактового сигнала. Что касается интерфейса, то SLDRAM перенимает протокол, названный SynchLink Interface и стремится работать на частоте 400 МГц.

Память DDR SDRAM работает на частотах в 100, 133, 166 и 200 МГц, её время полного доступа -- 30 и 22,5 нс, а время рабочего цикла -- 5, 3,75, 3 и 2,5 нс.

Так как частота синхронизации лежит в пределах от 100 до 200 МГц, а данные передаются по 2 бита на один синхроимпульс, как по фронту, так и по срезу тактового импульса, то эффективная частота передачи данных лежит в пределах от 200 до 400 МГц. Такие модули памяти обозначаются DDR200, DDR266, DDR333, DDR400.

Direct RDRAM или Direct Rambus DRAM

Тип памяти RDRAM является разработкой компании Rambus. Высокое быстродействие этой памяти достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах памяти. Первоначальная очень высокая стоимость памяти RDRAM привела к тому, что производители мощных компьютеров предпочли менее производительную, зато более дешёвую память DDR SDRAM. Рабочие частоты памяти -- 400, 600 и 800 МГц, время полного доступа -- до 30 нс, время рабочего цикла -- до 2,5 нс.

Конструктивно новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM был выпущен в 2004 году. Основываясь на технологии DDR SDRAM, этот тип памяти за счёт технических изменений показывает более высокое быстродействие и предназначен для использования на современных компьютерах. Память может работать с тактовой частотой шины 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 и 600 МГц. При этом эффективная частота передачи данных соответственно будет 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 и 1200 МГц. Некоторые производители модулей памяти помимо стандартных частот выпускают и образцы, работающие на нестандартных (промежуточных) частотах. Они предназначены для использования в разогнанных системах, где требуется запас по частоте. Время полного доступа -- 25, 11,25, 9, 7,5 нс и менее. Время рабочего цикла -- от 5 до 1,67 нс.

Этот тип памяти основан на технологиях DDR2 SDRAM со вдвое увеличенной частотой передачи данных по шине памяти. Отличается пониженным энергопотреблением по сравнению с предшественниками. Частота полосы пропускания лежит в пределах от 800 до 2400 МГц (рекорд частоты -- более 3000 МГц), что обеспечивает большую пропускную способность по сравнению со всеми предшественниками.

Конструктивные исполнения памяти DRAM

Рис. 4. Различные корпуса DRAM. Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM (30-контактный), SIMM (72-контактный), DIMM (168-контактный), DIMM (184-контактный, DDR)

Рис.5.

Рис. 6. Модуль DDR2 в 204-контактном корпусе SO-DIMM

Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP, SOIC, BGA, и в виде модулей памяти типа: SIPP, SIMM, DIMM, RIMM.

Первоначально микросхемы памяти выпускались в корпусах типа DIP (к примеру, серия К565РУхх), далее они стали производиться в более технологичных для применения в модулях корпусах.

На многих модулях SIMM и подавляющем числе DIMM устанавливалась SPD (Serial Presence Detect) -- небольшая микросхема памяти EEPROM, хранящяя параметры модуля (ёмкость, тип, рабочее напряжение, число банков, время доступа и т. п.), которые программно были доступны как оборудованию, в котором модуль был установлен (применялось для автонастройки параметров), так и пользователям и производителям.

Модули SIPP

Модули типа SIPP (Single In-line Pin Package) представляют собой прямоугольные платы с контактами в виде ряда маленьких штырьков. Этот тип конструктивного исполнения уже практически не используется, так как он далее был вытеснен модулями типа SIMM.

Модули SIMM

Модули типа SIMM (Single In-line Memory Module) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядом контактных площадок вдоль одной из её сторон. Модули фиксируются в разъёме (сокете) подключения с помощью защёлок, путём установки платы под некоторым углом и нажатия на неё до приведения в вертикальное положение. Выпускались модули на 4, 8, 16, 32, 64, 128 Мбайт.

Наиболее распространены 30- и 72-контактные модули SIMM.

Модули DIMM

Модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих её сторон, устанавливаемые в разъём подключения вертикально и фиксируемые по обоим торцам защёлками. Микросхемы памяти на них могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы.

Модули памяти типа SDRAM наиболее распространены в виде 168-контактных DIMM-модулей, памяти типа DDR SDRAM -- в виде 184-контактных, а модули типа DDR2, DDR3 и FB-DIMM SDRAM -- 240-контактных модулей.

Модули SO-DIMM

Для портативных и компактных устройств (материнских плат форм-фактора Mini-ITX, лэптопов, ноутбуков, таблетов и т. п.), а также принтеров, сетевой и телекоммуникационной техники и пр. широко применяются конструктивно уменьшенные модули DRAM (как SDRAM, так и DDR SDRAM) -- SO-DIMM (Small outline DIMM) -- аналоги модулей DIMM в компактном исполнении для экономии места.

Модули RIMM

Модули типа RIMM (Rambus In-line Memory Module) менее распространены, в них выпускается память типа RDRAM. Они представлены 168- и 184-контактными разновидностями, причём на материнской плате такие модули обязательно должны устанавливаться только в парах, в противном случае в пустые разъёмы устанавливаются специальные модули-заглушки (это связано с особенностями конструкции таких модулей). Также существуют 242-контактные PC1066 RDRAM модули RIMM 4200, не совместимые с 184-контактными разъёмами, и уменьшенная версия RIMM -- SO-RIMM, которые применяются в портативных устройствах.

В обычном микрокомпьютере увеличить объем памяти несложно вам лишь надо решить, сколько мегабайт стоит добавить, и к какому поставщику обратиться. Больше умственных усилий надо затратить при разработке прибора с микропроцессорным управлением, где распределение памяти является элементом проектирования, и где совместно используются блоки запоминающих устройств разных типов - энергонезависимые ПЗУ для хранения программ, а энергозависимые ОЗУ для временного размещения данных и стеков, а также как рабочее пространство программы.

(См. оригинал)

Рис. 11.29. 12-разрядные двухканальвые ЦАП (с любезного разрешения Analog Devices), а - микросхема 7537 с шириной загрузки 1 байт; б - микросхема 7547 с шириной загрузки 12 бит.

Энергонезависимые ПЗУ с «зашитыми» программами широко используются в микропроцессорных устройствах, чтобы избавиться от необходимости каждый раз при включении прибора загружать программу. В настоящем разделе мы рассмотрим различные виды памяти: статические и динамические ОЗУ (оперативные запоминающие устройства), РПЗУ (репрограммируемые постоянные запоминающие устройства), ЭРПЗУ (электрически стираемые репрограммируемые постоянные запоминающие устройства). Как только вы немного в них разберетесь, выбор уже не составит труда. Можете сразу обратиться к рис. 11.35, где мы свели воедино типы запоминающих устройств.

Статические и динамические ОЗУ.

В статических ОЗУ биты хранятся в матрицах триггеров, в то время как в динамических ОЗУ - в заряженных конденсаторах. Бит, записанный в статическое ОЗУ, остается в нем до тех пор, пока не будет перезаписан, или пока не выключится источник питания. В динамическом ОЗУ данные, если их не «регенерировать», исчезнут менее чем через секунду. Другими словами, динамическое ОЗУ непрерывно забывает данные, и чтобы их сохранить, приходится периодически опрашивать «строки» двумерной матрицы битов в микросхеме памяти. Например, в ОЗУ объемом 256 кбит к каждому из 256 рядов приходится обращаться каждые 4 мс.

Вы можете задаться вопросом, кому же придет в голову выбирать динамическое ОЗУ? Дело в том, что обходясь без триггеров, динамическое ОЗУ занимает меньше места, в результате чего микросхема большей емкости оказывается дешевле. Например, популярное сегодня статическое ОЗУ емкостью кбит) стоит около 10 долл., в два раза больше нынешней цены динамического ОЗУ емкостью 1 Мбит. В результате, используя динамические ОЗУ, вы за половину стоимости будете иметь в 4 раза больше памяти.

Теперь, наверное, вы удивляетесь, кому же нужны статические ОЗУ (что-то вас кидает из стороны в сторону)? Основное достоинство статических ОЗУ заключается в их простоте. Отпадает необходимость в циклах регенерации, не нужно заботиться об их синхронизации (циклы регенерации конкурируют с обычными циклами обращения к памяти и должны поэтому жестко синхронизоваться). В простых системах с ограниченным числом микросхем памяти естественно использовать статические ОЗУ. К тому большая часть нынешних статических ОЗУ используют КМОП-технологию, что существенно для приборов с батарейным питанием. Между прочим, статическое КМОП ОЗУ, автоматически переключаемое на батарейное питание при выключении основного (с помощью микросхемы управления питанием типа ), представляет неплохую альтернативу ПЗУ в качестве энергонезависимой памяти. Другим достоинством статических ОЗУ является их высокое быстродействие (выпускаются микросхемы с характерным временем 25 не и менее), а также удобная компоновка секциями по 8 бит. Рассмотрим оба типа ОЗУ подетальнее.

Статические ОЗУ. Мы уже столкнулись со статическим ОЗУ в нашей микропроцессорной разработке, где одно такое ОЗУ емкостью использовалось для размещения данных, стека и рабочей области (программа была записана в РПЗУ). Организовать обмен данными со статическим ОЗУ проще простого: в цикле чтения вы устанавливаете сигналы адреса, выбора микросхемы (CS) и разрешения выхода (ОЕ); запрошенные данные появляются на тристабильных линиях данных спустя максимум (адресное время доступа). В цикле записи вы устанавливаете сигналы адреса, данных и CS, а затем (спустя время упреждения адреса ) импульс разрешения записи (WE); достоверные данные записываются в конце импульса WE. Действующие временные ограничения для 120 не статического ОЗУ показаны на рис. 11.30, из которого видно, что «быстродействие» памяти - это время от установки достоверного адреса до достоверных данных (при чтении) или до завершения цикла записи (при записи).

Рис. 11.30. Синхронизация статического ОЗУ с быстродействием 120 нс. а - цикл чтения, б - цикл записи.

Для статических ОЗУ интервал времени между последовательными обращениями к памяти («длительность цикда») равен времени доступа; для динамических ОЗУ, как будет показано ниже, это не так.

Микросхемы статических ОЗУ могут иметь емкость от 1 Кбит (или меньше) до 1 Мбит при ширине 1, 4 или 8 бит. Быстродействие (время доступа) колеблется от 150 до 10 не или около того. В настоящее время широко используются недорогие статические КМОП ОЗУ емкостью с временем доступа 80 не, а также меньше по емкости, но более быстродействующие не) статические КМОП ОЗУ для кеш-памяти. Варианты микросхем могут иметь отдельные выводы для входов и выходов, два порта доступа и то или иное внешнее оформление (например, однорядный корпус ).

Может быть это и существенно, однако заметьте, что вам не надо заботиться, чтобы линии данных ЦП подключались обязательно к одноименным выводам микросхемы памяти - ведь независимо от порядка соединения вы при чтении всегда получите то же, что записали! Это замечание справедливо и для адресов. Однако не пытайтесь так поступить с ПЗУ.

Упражнение 11.18. А почему?

Динамические ОЗУ. По сравнению со статическими ОЗУ динамические ОЗУ - это сплошная мигрень. На рис. 11.31 показан нормальный цикл. Адрес (содержащий, например, для ОЗУ объемом 1 Мбайт 20 бит) расщепляется на две группы и мультиплексируется на вдвое меньшее число выводов, сначала «адрес строки», стробируемый сигналом Address Strobe - строб адреса строки), а затем «адрес колонки», стробируемый сигналом CAS (Column Address -строб адреса колонки). Данные записываются (или читаются в соответствии с состоянием входа направления ) вслед за установкой CAS. Перед началом следующего цикла памяти должно пройти некоторое время «выдержки RAS», поэтому длительность цикла больше времени доступа; например, динамическое ОЗУ может иметь время доступа 100 не и длительность цикла 200 не. Цикл регенерации выглядит так же, но без сигнала CAS. Вообще-то обычные обращения к памяти отлично ее регенерируют, если только вы можете гарантировать обращения со всеми возможными адресами строк!

Динамические ОЗУ, как и статические, выпускаются с шириной данных 1, 4 и 8 бит, емкостью от 64 Кбит до 4 Мбит и с быстродействием приблизительно от 70 до 150 не. Наиболее популярны большие -битовые микросхемы, что вполне объяснимо: если вам нужна большая матрица памяти, скажем объемом 4 Мбайт и шириной 16 бит, и имеются в наличии ОЗУ емкостью 1 Мбит с организацией , имеет смысл использовать -битовые микросхемы, потому что (а) каждая линия данных будет подключена только к двум микросхемам (а не к 16), что существенно уменьшит емкостную нагрузку, и (б) эти микросхемы занимают меньше места, потому что меньшее число выводов данных более чем компенсирует дополнительные адресные выводы.

Рис. 11.31. Циклы чтения и записи динамического ОЗУ (Motorola, 120 нс).

Кроме того, -битовые микросхемы, как правило, дешевле. Приведенные рассуждения справедливы, если вы строите большую память, и не относятся, например, к нашему простому микропроцессору с памятью Заметьте, однако, что улучшенная технология упаковки микросхем с высокой плотностью уменьшает важность минимизации числа выводов.

Существует ряд способов генерации последовательности мультиплексированных адресов и сигналов RAS, С AS и , требуемой для управления динамическим ОЗУ. Поскольку это ОЗУ всегда подключается к микропроцессорной магистрали, вы начинаете работу с ним, обнаружив сигнал (или эквивалентный ему), говорящий о том, что установлен правильный адрес из пространства динамического ОЗУ (о чем свидетельствуют старшие адресные линии). Традиционный метод заключается в использовании дискретных компонент средней степени интеграции для мультиплексирования адреса (несколько -канальных -входовых мультиплексоров ) и генерации сигналов RAS, CAS, а также сигналов управления мультиплексором.

Требуемая последовательность создается с помощью сдвигового регистра, тактируемого с частотой, кратной тактовой частоте микропроцессора или, что лучше, с помощью линии задержки с отводами. Для организации периодических циклов регенерации (только RAS) вам потребуется еще несколько логических схем и счетчик, отсчитывающий последовательные адреса строк. На все это уйдет около 10 корпусов.

Привлекательным способом, альтернативным «дискретным» схемам управления динамическим ОЗУ, является использование ПЛМ, причем для генерации всех необходимых сигналов достаточно одной-двух микросхем. Еще проще взять специальную микросхему «поддержки динамического ОЗУ», например, . Такого рода микросхемы берут на себя не только мультиплексирование адресов и образование сигналов RAS/CAS, но также и арбитрацию регенерации вместе с образованием адресов строк; более того, они даже включают мощные драйверы и демпфирующие резисторы, которые нужны для подключения больших матриц микросхем памяти, как это будет объяснено ниже. К таким контроллерам динамических ОЗУ обычно прилагаются дополнительные микросхемы для синхронизации, а также обнаружения и коррекции ошибок; в результате небольшой набор микросхем полностью решает проблему включения динамического ОЗУ в вашу разработку.

Впрочем, почти полностью! Основные неприятности с динамическими ОЗУ начинаются, когда вы пытаетесь освободиться от наводок на всех этих стробирующих и адресных магистральных линиях. Суть проблемы заключается в том, что несколько десятков корпусов МОП-схем оказываются разбросанными на большой площади системной платы, причем ко всем корпусам подходят управляющие и адресные шины. Для подключения к ним нескольких десятков микросхем требуются мощные выходные каскады Шоттки; однако большая длина линий и распределенная входная емкость в сочетании с крутыми фронтами выходных каскадов приводят к появлению «звона» большой амплитуды. Часто можно увидеть на адресных линиях ОЗУ отрицательные выбросы до -2 В! Типичным средством борьбы (не всегда полностью успешной) является включение на выходе каждого драйвера последовательных демпфирующих резисторов с сопротивлением около 33 Ом. Другая проблема заключается в огромных переходных токах, часто достигающих величины на линию. Представьте себе микросхему -разрядного драйвера, у которого большинство выходов случайно переключаются в одном направлении, например, с высокого уровня на низкий. Это приводит к переходному току величиной около 1 А, который на некоторое время повышает потенциал нулевого вывода, а вместе с ним и всех выходов, которые должны были иметь низкий уровень. Отмеченная проблема отнюдь не носит академического характера - однажды мы наблюдали сбои в работе памяти как раз из-за таких переходных токов на нулевом выводе, образующихся из-за выбросов токов -драйвера. При этом наводки, проходящие в -драйверы той же микросхемы, оказывались достаточными для завершения цикла памяти!

Дополнительным источником наводок в динамических ОЗУ являются большие переходные токи, образованные микросхемами в целом, причем наиболее честные разработчики даже включают сведения об этом явлении в свои технические материалы (рис. 11.32). Обычным средством борьбы является установка шунтирующих конденсаторов, подключенных к нулевой линии с малой индуктивностью; считается разумным шунтировать каждую микросхему керамическим конденсатором с емкостью .

Мы пришли к выводу, что логические драйверы с внешними резисторами хорошо работают с динамическим ОЗУ, как и специальные драйверы типа , которые включают интегральные демпфирующие резисторы. Контроллер динамического ОЗУ , упоминавшийся выше, по заверениям разработчиков может обслуживать до 88 микросхем памяти без внешних компонент, давая при этом отрицательные выбросы не более -0,5 В.

Рис. 11.32. Переходные токи динамического ОЗУ.

Даже более важным, нежели выбор конкретного драйвера, является использование нулевых линий с низкой индуктивностью и частого шунтирования . Двухсторонние платы с узкими линиями заземления неминуемо приведут к неприятностям; макетные платы с накруткой проводов обычно немногим лучше.

Важно понимать, что сбои памяти, возникающие из-за наводок, могут в сильной степени зависеть от распределения бит в передаваемых данных и не всегда проявляются в простых тестах памяти на чтение/запись. Лучшим способом обеспечить надежную работу памяти является консервативное проектирование и исчерпывающее тестирование памяти (с осциллографическим исследованием форм сигналов).

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

ПЗУ относятся к памяти, неразрушаемой при выключении питания (энергонезависимой), и нужда в них возникает практически в любой компьютерной системе. К примеру, в микрокомпьютерах необходимо иметь по крайней мере небольшое ПЗУ для хранения последовательности команд начальной загрузки, которая включает не только строки выделения стека и инициализации портов и прерываний, но также и команды, обеспечивающие чтение операционной системы с диска. Когда ваш персональный компьютер выполняет тестирование памяти и затем загружает DOS, он выполняет приказы некоторого ПЗУ. Кроме того, для микрокомпьютера типично хранение в ПЗУ некоторой части операционной системы (обычно наиболее аппаратно-зависимых модулей); эта часть называется «базовой системой ввода-вывода» (basic I/O system, BIOS) и обеспечивает стандартный механизм для обращения операционной системы к конкретным портам. ПЗУ широко используются для хранения различных таблиц, например, для генератора символов, отображаемых на экране дисплея. В предельном случае вообще вся операционная система, включая даже компиляторы и графические программы, может размещаться в ПЗУ. Например, в микрокомпьютере Macintosh значительная часть системного программного обеспечения записана в ПЗУ, и почти все 256 Кбайт ОЗУ отдаются пользователю. Однако такой «ПЗУ-ориентированный» подход используется в микрокомпьютерах относительно редко ввиду его негибкости; заметьте, однако, что исправление ошибок и умеренные усовершенствования программного обеспечения могут осуществляться с помощью заплат, размещаемых в ОЗУ.

В приборах с микропроцессорным управлением ПЗУ используются более широко. В ПЗУ хранится вся автономная программа, а энергозависимое ОЗУ используется только для хранения массивов и временных данных. Именно так было сделано в нашем усреднителе сигналов. ПЗУ часто оказываются полезными в дискретной цифровой аппаратуре, например, для конструирования произвольных конечных автоматов, или в качестве хранилища таблиц поправок для линеаризации функции отклика измерительной системы. Рассмотрим кратко разные виды энергонезависимой памяти: ПЗУ с масочным программированием, а также электрически стираемые ЭРПЗУ.

РПЗУ. Стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства выполняются в виде больших микросхем с кварцевым окном. Это, несомненно, самый популярный тип энергонезависимой памяти для компьютеров. РПЗУ используют КМОП- и МОП-технологию и состоят из больших матриц полевых и МОП-транзисторов с плавающим затвором, которые можно зарядить с помощью «лавинной -процесса пробоя слоя, изолирующего затвор, при приложении напряжения свыше 20 В. Данные хранятся в РПЗУ неограниченно долго в виде ничтожного заряда (около 106 электронов) изолированных «погребенных» затворов, которые можно рассматривать как конденсаторы с постоянной времени порядка столетий. Чтобы прочитать состояние отдельного конденсатора, ему надо выступить в качестве затвора канала полевого МОП-транзистора. Поскольку затвор электрически недоступен, стереть заряд можно лишь облучая микросхему интенсивным потоком ультрафиолетовых лучей в течение 10-30 мин, отчего запасенный заряд стекает за счет явления фотопроводимости. В результате отдельные байты РПЗУ выборочно стереть нельзя.

В первом издании этой книги мы упоминали «классическую» микросхему 2716, РПЗУ стоившую 25 долл. Теперь она стала такой классической, что ее уже нигде не достанешь! Типичные РПЗУ нашего времени имеют емкость от до и цену несколько долларов. Время доступа обычно составляет 150- 300 не, хотя такие компании, как Cypress, предлагают ПЗУ небольшого объема с быстродействием 25 не. Чтобы запрограммировать РПЗУ, к нему надо просто приложить повышенное напряжение (обычно 12,5 или 21 В), устанавливая при этом требуемые значения байтов. Исходные алгоритмы требовали на программирование каждого байта (что дает 100 с для микросхемы 2716, но для РПЗУ умеренного объема превращается в полчаса). Выпуск больших ПЗУ потребовал от разработчиков изобретения более совершенных алгоритмов, в которых каждый байт программируется последовательностью импульсов длительностью , причем после каждой записи делается попытка чтения; когда байт считывается правильно, выполняется окончательная запись, равная по длительности утроенной сумме всех предыдущих. Большая часть байтов программируется первым же импульсом, в результате на каждый байт тратится около , а на все ПЗУ объемом - 2 мин.

РПЗУ очень удобны при разработке опытных образцов, так как после стирания их можно использовать повторно. Они также применяются при выпуске небольших партий приборов. В продаже имеются более дешевые варианты РПЗУ без кварцевого окна, иногда называемые «РПЗУ однократного программирования». Хотя эти микросхемы не следовало бы называть РПЗУ, инженеры не желают изменять привычное название. Консервативные производители РПЗУ гарантируют сохранение в них информации в течение лишь 10 лет. Эта величина предполагает наихудшие условия (в частности, высокую температуру, которая приводит к утечке заряда); в действительности РПЗУ, похоже, не теряют данные, если только вам не попалась дефектная партия.

Для РПЗУ характерно ограниченное число циклов репрограммирования, т. е. стирания и программирования заново. Производители неохотно называют это число, хотя вы можете считать, что микросхема заметно ухудшит свои характеристики лишь после 100 или около того циклов стирания / программирования.

Рис. 11.33. Микроконтроллер с РПЗУ. а - 8-разрядный микроконтроллер с контактами для установки РПЗУ; б - 8-разрядный микроконтроллер со встроенным РПЗУ.

Масочные ПЗУ и ПЗУ с плавкими перемычками. Масочно-программируемые ПЗУ относятся к категории заказных микросхем, которые рождаются с указанным вами расположением бит. Фирма-производитель преобразует вашу спецификацию бит в маску металлизации, используемую далее при изготовлении ПЗУ. Такая процедура хороша для больших партий микросхем, и вам, надеемся, не придет в голову заказывать ПЗУ с масочным программированием для макетного образца. Типичная стоимость составляет от 1 до 3 тыс. долл. за производственный цикл, и фирмы неохотно берут заказы на партии ПЗУ менее тысячи штук. При таких количествах микросхема может обойтись в несколько долларов.

Многие однокристальные микроконтроллеры содержат в том же корпусе несколько кбайт ПЗУ и ОЗУ, так что законченный прибор может обходиться без дополнительных микросхем памяти. В большинстве случаев микроконтроллерное семейство включает варианты, требующие внешнего ПЗУ, а иногда и варианты со встроенным РПЗУ (рис. 11.33). Это дает возможность при разработке прибора использовать вариант с РПЗУ (или внешним ПЗУ), куда можно записать программу, при подготовке же партии приборов обратиться к более дешевым контроллерам с масочным программированием.

Другим типом ПЗУ с однократным программированием являются ПЗУ с плавкими перемычками. При выпуске в них все биты установлены, и для сброса требуемых бит ПЗУ надо подвергнуть действию электрического тока. В качестве типичного примера можно привести микросхему Harris , КМОП ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство) объемом ППЗУ с плавкими перемычками выпускаются также на базе биполярной (ТТЛ) технологии.

ЭРПЗУ. Электрически стираемые программируемые ПЗУ могут быть выборочно стерты и электрически репрограммированы прямо в той же схеме, где они используются в качестве памяти. Такого рода ПЗУ идеально подходят для хранения констант конфигурации, параметров калибровки и прочей информации, которую нельзя записать в ПЗУ до включения компьютера. ЭРПЗУ, как и РПЗУ, используют технологию МОП с плавающим затвором.

Первые ЭРПЗУ требовали повышенных напряжений и длительной процедуры программирования. Современные микросхемы используют одно напряжение питания и работают практически так же, как и статические ОЗУ - другими словами, вы можете репрограммировать любой байт с помощью одного цикла записи на магистрали. В микросхеме ЭРПЗУ предусмотрены внутренние цепи для генерации повышенного программирующего напряжения, а внутренняя логика фиксирует данные и генерирует программирующую последовательность длительностью несколько миллисекунд, в которой на время процесса устанавливается флаг BUSY или в цикле чтения образуются инвертированные данные, чтобы показать, что идет процесс записи. Некоторые ЭРПЗУ реализуют оба этих протокола, обычно называемые .

Сопряжение с этими ПЗУ осуществляется просто - достаточно подключить их также, как обычные ОЗУ и использовать линию BUSY для возбуждения прерываний (либо считывать состояние BUSY или данных, и использовать его как флаг состояния) (см. рис. 11.34).

Рис. 11.34. ЭРПЗУ.

Протокол -опроса удобен тем, что ЭРПЗУ можно вставить в стандартный разъем для ОЗУ без каких-либо схемных изменений (разумеется, в ваши программы придется включить строки анализа считываемых назад данных и ожидания их совпадения с тем, что вы записываете). Поскольку запись в ЭРПЗУ выполняется относительно редко, фактически в прерываниях по линии RDY/BUSY необходимости не возникает.

КМОП ЭРПЗУ выпускаются в виде микросхем с емкостью по цене примерно 10-50 долл. Время доступа (200-300 не) и время программирования при использовании внутреннего усовершенствования алгоритма) сравнимы с показателями стандартного РПЗУ. ЭРПЗУ, как и РПЗУ, допускают ограниченное число циклов чтения записи. Хотя производители избегают называть конкретные цифры, можно встретить упоминание о 100000 циклах чтения записи при .

Замечание. Хотя ЭРПЗУ уникальны в том отношении, что допускают репрограммирование в рабочей схеме, их также можно запрограммировать и отдельно от места использования, в программаторе для РПЗУ. Это делает их очень удобными для разработки встроенного программного обеспечения, так как вам не надо ждать полчаса, пока РПЗУ со старой программой прожарится под ультрафиолетовым облучателем.

Имеются два любопытных варианта ЭРПЗУ. Фирмы National, Xicor и др. выпускают маленькие микросхемы ЭРПЗУ в с 8 выводами. Емкость этих схем может составлять от до бит; они работают в режиме последовательного доступа и оснащаются тактовым входом и единственной линией данных. Эти микросхемы трудно использовать без микропроцессора; однако в приборах с микропроцессорным управлением они очень удобны для хранения небольшого количества установочных параметров и проч. Та же фирма Xicor выпускает «электрически стираемый потенциометр , остроумное применение электрически стираемой памяти, в которой хранится положение «цифрового контакта». В эту микросхему встроена цепочка из 99 равных по величине резисторов, причем положение отвода от них, устанавливаемое программно, сохраняется в энергонезависимой памяти, входящей в ту же микросхему. Нетрудно представить себе прикладные задачи, в которых желательна автоматическая или дистанционная калибровка некоторого инструмента без механической настройки ручек управления.

Недавно появившаяся модификация ЭРПЗУ, называемая моментальной (flash), сочетает высокую плотность РПЗУ с репрограммированием в рабочей схеме, присущим ЭРПЗУ. Однако моментальные РПЗУ, как правило, не позволяют стирать отдельные байты, как это можно делать с обычными ЭРПЗУ. Так, моментальное ЭРПЗУ Intel допускает только полное стирание (как и РПЗУ), в то время как в микросхеме фирмы Seeq предусмотрено стирание либо посекторное (512 байт), либо целиком. Далее, большинство доступных сейчас моментальных ЭРПЗУ требуют дополнительного отключаемого источника питания +12 В на время стирания/записи, что является слишком дорогой ценой, если вспомнить, что обычные ЭРПЗУ питаются от единственного источника + 5 В.

Моментальные ЭРПЗУ могут выдерживать от 100 до 10000 программных циклов.

Технология производства ППЗУ продолжает развиваться, и мы с любопытством ожидаем, что она нам еще преподнесет; ждите и вы!

Энергонезависимые ОЗУ.

РПЗУ удобны для применения в качестве энергонезависимых ПЗУ, однако часто возникает необходимость иметь энергонезависимую оперативную память. Для этого можно использовать ЭРПЗУ, однако для них характерен очень длинный ) цикл записи (и ограниченное число циклов чтения/записи). Имеются две возможности достичь характерного для ОЗУ времени чтения записи ) при неограниченном числе циклов чтения записи: использовать либо статическое КМОП ОЗУ с резервным батарейным питанием, либо необычную микросхему фирмы Xicor, в которой объединены статическое ОЗУ и ЭРПЗУ.

Ранее уже обсуждался вопрос о резервном батарейном питании ОЗУ, которое убивает двух зайцев разом: низкая цена и высокая скорость чтения записи ОЗУ сочетаются с энергонезависимостью ПЗУ. Разумеется, в этом случае следует использовать КМОП ОЗУ с известным значением критического тока. Некоторые фирмы выпускают «энергонезависимые ОЗУ», размещая в обычном -корпусе вместе с микросхемой КМОП ПЗУ литиевую батарейку и логические схемы переключения питания. В качестве примера можно указать микросхемы фирмы Dallas Semiconductor эта фирма также выпускает линейку «интеллектуальных разъемов», содержащих батарейку и логические схемы, с помощью которых обычные ОЗУ как по мановению волшебной палочки становятся энергонезависимыми. Учтите, что образованное таким образом энергонезависимое ОЗУ, строго говоря, не бессмертно; срок службы батарейки, а следовательно, и данных, около 10 лет. Как и для обычного статического ОЗУ, здесь нет ограничений на выдерживаемое памятью число циклов чтения записи. в ОЗУ.

Если сравнивать два описанных варианта энергонезависимых ОЗУ, то вариант с резервной батарейкой представляется в общем предпочтительным, поскольку позволяет использовать любое наличное ОЗУ, если только в нем предусмотрен режим отключения при нулевом токе. Это значит, что вы можете использовать большие ОЗУ последних выпусков, а также, например, выбрать наиболее быстродействующие ОЗУ, если это для вас важно. Хотя батарейки имеют конечный срок эксплуатации, для большинства приложений он достаточен. Для кратковременного (сутки или менее) хранения информации вы можете заменить литиевую батарейку двухслойным конденсатором большой емкости; такие конденсаторы в очень маленьких корпусах с емкостью до фарады и более предлагаются фирмами Panasonic, Sohio и др.

Запоминающие устройства: общая сводка.

Рис. 11.35 подытоживает важнейшие характеристики различных типов ЗУ. Из показанных на рисунке мы рекомендуем динамические ОЗУ шириной 1 бит для больших матриц памяти с возможностью чтения и записи, статические ОЗУ шириной 1 байт для небольших матриц памяти микропроцессорных систем, РПЗУ для хранения программ и параметров, не требующих перезаписи, и либо ЭРПЗУ (если длительность процесса записи не имеет значения), либо статические ОЗУ с резервным батарейным питанием (для достижения максимального быстродействия по чтению / записи) для энергонезависимого хранения модифицируемых данных.

Рис. 11.35. Типы запоминающих устройств.

Статические оперативные запоминающие устройства позволяют обеспечивать хранение записанной информации до тех пор, пока на микросхему подаётся питание. Однако запоминающая ячейка статического ОЗУ занимает относительно большую площадь, поэтому для ОЗУ большого объема в качестве запоминающей ячейки применяют конденсатор. Заряд на этой ёмкости естественно с течением времени уменьшается, поэтому его необходимо подзаряжать с периодом приблизительно 10 мс. Этот период называется периодом регенерации. Подзарядка ёмкости производится при считывании ячейки памяти, поэтому для регенерации информации достаточно просто считать регенерируемую ячейку памяти.

Схема запоминающего элемента динамического ОЗУ и его конструкция приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема запоминающего элемента динамического ОЗУ и его конструкция

При считывании заряда ёмкости необходимо учитывать, что ёмкость линии считывания много больше емкости запоминающей ячейки. Графики изменения напряжения на линии считывания при считывании информации с запоминающей ячейки без применения регенерации приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Графики изменения напряжения на линии считывания при считывании информации с запоминающей ячейки

Первоначально на линии записи/считывания присутствует половина питания микросхемы. При подключении к линии записи/считывания запоминающей ячейки заряд, хранящийся в запоминающей ячейке, изменяет напряжение на линии на небольшую величину DU. Теперь это напряжение необходимо восстановить до первоначального логического уровня. Если приращение напряжения DU было положительным, то напряжение необходимо довести до напряжения питания микросхемы. Если приращение DU было отрицательным, то напряжение необходимо довести до уровня общего провода.

Для регенерации первоначального напряжения, хранившегося в запоминающей ячейке в схеме применяется , включенный между двумя линиями записи/считывания. Схема такого включения приведена на рисунке 3. Эта схема за счет положительной обратной связи восстанавливает первоначальное значение напряжения в запоминающем элементе, подключенном к выбранной линии считывания. То есть, при считывании ячейки производится регенерация хранящегося в ней заряда.

Рисунок 3. Схема регенерирующего каскада динамического ОЗУ

Для уменьшения времени регенерации микросхема устроена так, что при считывании одной ячейки памяти в строке запоминающей матрицы регенерируется вся строка.

Особенностью динамических ОЗУ является мультиплексирование шины адреса. Адрес строки и адрес столбца передаются поочередно. Адрес строки синхронизируется стробирующим сигналом RAS# (Row Address strobe), а адрес столбца - CAS# (Column Adress Strobe). Мультиплексирование адресов позволяет уменьшить количество ножек микросхем ОЗУ. Изображение микросхемы динамического ОЗУ приведено на рисунке 4, а временные диаграммы обращения к динамическому ОЗУ на рисунке 5.

Рисунок 4. Изображение динамического ОЗУ на принципиальных схемах


Рисунок 5. Временная диаграмма обращения к динамическому ОЗУ

Именно так долгое время велась работа с динамическими ОЗУ. Затем было замечено, что обычно обращение ведется к данным, лежащим в соседних ячейках памяти, поэтому не обязательно при считывании или записи каждый раз передавать адрес строки. Данные стали записывать или считывать блоками и адрес строки передавать только в начале блока. При этом можно сократить общее время обращения к динамическому ОЗУ и тем самым увеличить быстродействие компьютера.

Такой режим обращения к динамическому ОЗУ называется быстрым страничным режимом доступа FPM (Fast Page Mode). Длина считываемого блока данных равна четырем словам. Для того, чтобы оценить время такого режима доступа к памяти время измеряют в тактах системной шины процессора. В обычном режиме доступа к памяти время доступа одинаково для всех слов. Поэтому цикл обращения к динамической памяти можно записать как 5-5-5-5. При режиме быстрого страничного доступа цикл обращения к динамической памяти можно записать как 5-3-3-3, то есть время обращения к первой ячейке не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, а считывание последующих ячеек сокращается до трех тактов. При этом среднее время доступа к памяти сокращается почти в полтора раза. Временная диаграмма режима FPM приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Временная диаграмма обращения к динамическому ОЗУ в режиме FPM

Еще одним способом увеличения быстродействия ОЗУ является применение микросхем EDO (Extended Data Out — ОЗУ с расширенным выходом данных). В EDO ОЗУ усилители-регенераторы не сбрасываются по окончанию строба CAS#, поэтому времени для считывания данных в таком режиме больше. Теперь для того чтобы сохранить время считывания на прежнем уровне можно увеличить тактовую частоту системной шины и тем самым увеличить быстродействие компьютера. Для EDO ОЗУ цикл обращения к динамической памяти можно записать как 5-2-2-2.

Следующим шагом в развитии схем динамического ОЗУ было применение в составе ОЗУ счетчика столбцов. То есть при переходе адреса ячейки к следующему столбцу запоминающей матрицы адрес столбца инкрементируется (увеличивается) автоматически. Такое ОЗУ получило название BEDO (ОЗУ с пакетным доступом). В этом типе ОЗУ удалось достигнуть режима обращения к динамической памяти 5-1-1-1.

В синхронном динамическом ОЗУ (SDRAM) дальнейшее увеличение быстродействия получается за счет применения конвейерной обработки сигнала. Как известно при использовании конвейера можно разделить операцию считывания или записи на отдельные подоперации, такие как выборка строк, выборка столбцов, считывание ячеек памяти, и производить эти операции одновременно. При этом пока на выход передается считанная ранее информация, производится дешифрация столбца для текущей ячейки памяти и производится дешифрация строки для следующей ячейки памяти. Этот процесс иллюстрируется рисунком 7

Рисунок 7. Структурная схема конвейерной обработки данных

Из приведенного рисунка видно что, несмотря на то, что при считывании одной ячейки памяти время доступа к ОЗУ увеличивается, при считывании нескольких соседних ячеек памяти общее быстродействие микросхем синхронного динамического ОЗУ увеличивается. http://www.epos.kiev.ua/pubs/pm/pc133.htm

Литература:

Вместе со статьей "Динамические оперативные запоминающие устройства" читают:

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) являются неотъемлемой частью микропроцессорных систем различного назначения. ОЗУ делятся на два класса: статические и динамические. В статических ОЗУ запоминание информации производится на триггерах, а в динамических - на конденсаторах емкостью порядка 0,5 пФ. Длительность хранения информации в статических ОЗУ не ограничена, тогда как в динамических она ограничена временем саморазряда конденсатора, что требует специальных средств регенерации и дополнительных затрат времени на этот процесс.

Конструктивно любое ОЗУ состоит из двух блоков - матрицы запоминающих элементов и дешифратора адреса. По технологическим соображениям матрица чаще всего имеет двухкоординатную дешифрацию адреса - по строкам и столбцам. На рис. 9.45 показана матрица 16-битного статического ОЗУ. Матрица состоит из 16 ячеек памяти mem_i, схема которой приведена на рис. 9.46. Каждая ячейка памяти адресуется по входам X, Y путем выбора дешифраторами адресных линий по строкам АхО...АхЗ и по столбцам АуО...АуЗ (см. рис. 9.45) и подачи по выбранным линиям сигнала логической единицы. При этом в выбранной ячейке памяти срабатывает двухвходовой элемент И (U1), подготавливая цепи чтения-записи информации на входных DIO...DI3 или выходных DOO...D03 разрядных шинах. Разрешающим сигналом для выдачи адреса является CS (chip select - выбор кристалла), который подается на вход разрешения счетчика адреса (Addr_cnt) или такой же вход дешифраторов, подключенных к выходам счетчика.

При записи в ячейку памяти (см. рис. 9.46) на соответствующей разрядной шине устанавливается 1 или 0, на входе WR/RD" устанавливается сигнал 1 и после стробирования счетчика или дешифраторов адреса сигналом CS срабатывают элементы 2И U1, U2. Положительный перепад сигнала с элемента U2 поступает на тактовый вход D-триггера U4, в результате чего в нем записывается 1 или 0 в зависимости от уровня сигнала на его D-входе.

При чтении из ячейки памяти на входе WR/RD" устанавливается 0, при этом срабатывают элементы U1, U3, U5 и на вход РАЗРЕШЕНИЕ ВЫХОДА буферного элемента U6 поступает разрешающий сигнал, в результате чего сигнал с Q-выхода D-триггера передается на разрядную шину DOO...D03. Для проверки функционирования ячейки памяти используется генератор слова (рис. 9.47).

Современные запоминающие устройства статического типа отличаются высоким быстродействием и в микропроцессорных системах используются ограниченно из-за сравнительно высокой стоимости. В таких системах они используются только в качестве так называемой кэш-памяти . Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью, служащую для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти - в нее заносятся наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения может быть с гораздо большей скоростью из нее извлечено. При записи в память информация попадает в кэш и одновременно копируется в память (схема Write Through - прямая или сквозная запись) или копируется через некоторое время (схема Write Back - обратная запись). При обратной записи, называемой также буферизованной сквозной записью, информация копируется в память в первом же свободном такте, а при отложенной (Delayed Write) - когда для помещения в кэш нового значения не оказывается свободной области; при этом в основное ОЗУ вытесняются сравнительно редко используемые данные. Вторая схема более эффективна, но и более сложна за счет необходимости поддержания соответствия содержимого кэша и основной памяти.

Кэш-память состоит из области данных, разбитой на блоки (строки), которые являются элементарными единицами информации при работе кэша, и области признаков (tag), описывающей состояние строк (свободна, занята, помечена для дозаписи и т.п.). В основном используются две схемы организации кэша: с прямым отображением (direct mapped), когда каждый адрес памяти может кэшироваться только одной строкой (в этом случае номер строки определяется младшими разрядами адреса), и га-связный ассоциативный (ra-way associative), когда каждый адрес может кэшироваться несколькими строками. Ассоциативный кэш более сложен, однако позволяет более гибко кэшировать данные; наиболее распространены четырехсвязные системы кэширования.

Микропроцессоры 486 и выше имеют также внутренний (Internal) кэш объемом 8...16 Кбайт. Он также обозначается как Primary (первичный) или LI (Level I - первый уровень) в отличие от внешнего (External), расположенного на плате и обозначаемого Secondary (вторичный) или L2. В большинстве процессоров внутренний кэш работает по схеме с прямой записью, а в 486 (процессор Intel P24D и последние DX4-100, AMD DX4-120, 5х86) и Pentium он может работать и с отложенной записью. Последнее требует специальной поддержки со стороны системной платы, чтобы при обмене по DMA (прямое обращение к памяти устройств ввода-вывода) можно было поддерживать согласованность данных в памяти и внутреннем кэше. Процессоры Pentium Pro имеют также встроенный кэш второго уровня объемом 256 или 512 Кбайт.

В микропроцессорных системах в качестве ОЗУ чаще всего используются динамические ОЗУ с запоминающим конденсатором, которые отличаются большим многообразием. Приведем данные по наиболее распространенным типам таких ОЗУ .

В динамической памяти ячейки выполнены на основе областей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении информации. При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, который сохраняется в течение нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать (перезаписывать) ее содержимое. Ячейки микросхем динамической памяти также организованы в виде прямоугольной матрицы; при обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки), затем, через некоторое время - адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). При каждом обращении к отдельной ячейке регенерируются все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенерации матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки динамической памяти имеют сравнительно малое быстродействие (десятки - сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка нескольких мегабайт на корпус) и меньшее энергопотребление.

Обычные ОЗУ называют часто асинхронными, так как установка адреса и подача управляющих сигналов могут выполняться в произвольные моменты времени, необходимо только соблюдение временных соотношений между этими сигналами. В них включены так называемые охранные интервалы, необходимые для установления сигналов. Существуют также синхронные виды памяти, получающие внешний синхросигнал, к импульсам которого жестко привязаны моменты подачи адресов и обмена данными; они позволяют более полно использовать внутреннюю конвейеризацию и блочный доступ.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM - динамическая память с быстрым страничным доступом), активно используется в последнее время. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержания сигнала RAS допускает многократную установку адреса столбца, стробируемого сигналом CAS, а также быструю регенерацию по схеме "CAS прежде RAS". Первое позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей, а второе - снизить затраты времени на регенерацию памяти.

EDO (Extended Data Out - расширенное время удержания данных на выходе) фактически представляют собой обычные микросхемы FPM, на выходе которых установлены регистры-защелки данных. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память ничем не отличается от обычной.

BEDO (Burst EDO - EDO с блочным доступом) - память на основе EDO, работающая не одиночными, а пакетными циклами чтения/записи. Современные процессоры благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд и данных обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной ширины. При наличии памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек, до- " статочно стробировать переход к очередному слову отдельным сигналом.

SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная динамическая память) - память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной (FPM/EDO/BEDO). Кроме синхронного доступа, SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основное преимущество SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где не требуется дополнительных тактов ожидания. При случайном доступе SDRAM работает практически с той же скоростью, что и FPM/EDO.

РВ SRAM (Pipelined Burst SRAM - статическая память с блочным конвейерным доступом) - разновидность синхронных SRAM с внутренней конвейеризацией, за счет которой примерно вдвое повышается скорость обмена блоками данных.

Кроме основного ОЗУ, устройством памяти снабжается и устройство отображения информации - видеодисплейная система. Такая память называется видеопамятью и располагается на плате видеоадаптера.

Видеопамять служит для хранения изображения. От ее объема зависит максимально возможное разрешение видеокарты - АхВхС, где А - количество точек по горизонтали, В - по вертикали, С- количество возможных цветов каждой точки. Например, для разрешения 640х480х16 достаточно иметь видеопамять 256 Кбайт, для 800х600х256 - 512 КБ, для 1024х768х65536 (другое обозначение - 1024x768x64k) - 2 Мбайт и т.д. Поскольку для хранения цветов отводится целое число разрядов, количество цветов всегда является целой степенью 2 (16 цветов - 4 разряда, 256 - 8 разрядов, 64k - 16 и т.д.).

В видеоадаптерах используются следующие типы видеопамяти.

FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic RAM - динамическое ОЗУ с быстрым страничным доступом) - основной тип видеопамяти, идентичный используемой в системных платах. Активно применялась до 1996 г. Наиболее распространенные микросхемы FPM DRAM - четырехразрядные DIP и SOJ, а также шестнадцатиразрядные SOJ.

VRAM (Video RAM - видео-ОЗУ) - так называемая двухпортовая DRAM с поддержкой одновременного доступа со стороны видеопроцессора и центрального процессора компьютера. Позволяет совмещать во времени вывод изображения на экран и его обработку в видеопамяти, что сокращает задержки и увеличивает скорость работы.

EDO DRAM (Extended Data Out DRAM - динамическое ОЗУ с расширенным временем удержания данных на выходе) - память с элементами конвейеризации, позволяющей несколько ускорить обмен блоками данных с видеопамятью.

SGRAM (Synchronous Graphics RAM - синхронное графическое ОЗУ) - вариант DRAM с синхронным доступом, когда все управляющие сигналы изменяются одновременно с системным тактовым синхросигналом, что позволяет уменьшить временные задержки.

WRAM (Window RAM - оконное ОЗУ) - EDO VRAM, в котором окно, через который обращается видеоконтроллер, сделано меньшим, чем окно для центрального процессора.

MDRAM (Multibank DRAM - многобанковое ОЗУ) - вариант DRAM, организованный в виде множества независимых банков объемом по 32 Кбайт каждый, работающих в конвейерном режиме.

Увеличение скорости обращения видеопроцессора к видеопамяти, кроме повышения пропускной способности адаптера, позволяет повысить максимальную частоту регенерации изображения, что снижает утомляемость глаз оператора.

Микросхемы памяти имеют четыре основные характеристики - тип, объем, структуру и время доступа. Тип обозначает статическую или динамическую память, объем показывает общую емкость памяти, а структура - количество ячеек памяти и разрядность каждой ячейки. Например, 28/32-выводные DIP-микросхемы SRAM имеют 8-разрядную структуру (8kx8, 16kx8, 32kx8, 64kx8, 128kx8), кэш объемом 256 Кбайт состоит из восьми микросхем 32kx8 или четырех микросхем 64kx8 (речь идет об области данных, дополнительные микросхемы для хранения признаков могут иметь другую структуру). Две микросхемы по 128kx8 поставить уже нельзя, так как нужна 32-разрядная шина данных, что могут обеспечить только четыре микросхемы. Распространенные РВ SRAM в 100-выводных корпусах PQFP имеют 32-разрядную структуру 32kx32 или 64kx32 и используются по две или по четыре в платах для Pentium.

30-контактные SIMM имеют 8-разрядную структуру и используются с процессорами 286, 386SX и 486SLC по две, а с 386DX, 486DLC и обычными 486DX - по четыре. 72-контактные SIMM имеют 32-разрядную структуру и могут использоваться с 486DX по одной, а с Pentium и Pentium Pro - по две. 168-контактные DIMM имеют 64-разрядную структуры и используются в Pentium и Pentium Pro по одной. Установка модулей памяти или микросхем кэша в количестве больше минимального для данной системной (материнской) платы позволяет ускорить работу с ними, используя принцип чередования (Interleave).

Время доступа характеризует скорость работы микросхемы и обычно указывается в наносекундах после тире в конце наименования. На более медленных микросхемах могут указываться только первые цифры (-7 вместо -70, -15 вместо -150), на более быстрых статических "-15" или "-20" обозначает реальное время доступа к ячейке. Часто на микросхемах указывается минимальное из всех возможных времен доступа, например, распространена маркировка 50 EDO DRAM вместо 70, или 45 - вместо 60, хотя такой цикл достижим только в блочном режиме, а в одиночном режиме микросхема по-прежнему имеет время доступа 70 или 60 нс. Аналогичная ситуация имеет место в маркировке РВ SRAM: 6 вместо 12, и 7 вместо 15. Микросхемы SDRAM обычно маркируются временем доступа в блочном режиме (10 или 12 нс).

ИМС памяти реализуются в корпусах следующих типов.

DIP (Dual In line Package - корпус с двумя рядами выводов) - классические микросхемы, применявшиеся в блоках основной памяти IBM PC/XT и ранних PC/AT, сейчас применяются в блоках кэш-памяти.

SIP (Single In line Package - корпус с одним рядом выводов) - микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально.

SIPP (Single In line Pinned Package - модуль с одним рядом игольчатых выводов) - модуль памяти, вставляемый в панель наподобие микросхем DIP/SIP; применялся в ранних IBM PC/AT.

SIMM (Single In line Memory Module - модуль памяти с одним рядом контактов) - модуль памяти, вставляемый в зажимный разъем; применяется во всех современных платах, а также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд контактов. На SIMM в настоящее время устанавливаются преимущественно микросхемы FPM/EDO/BEDO.

DIMM (Dual In line Memory Module - модуль памяти с двумя рядами контактов) - модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами (обычно 2х84), за счет чего увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле. Применяется в основном в компьютерах Apple и новых платах Р5 и Р6. На DIMM устанавливаются микросхемы EDO/BEDO/SDRAM.

CELP (Card Egde Low Profile - невысокая карта с ножевым разъемом на краю) - модуль внешней кэш-памяти, собранный на микросхемах SRAM (асинхронный) или РВ SRAM (синхронный). По внешнему виду похож на 72-контактный SIMM, имеет емкость 256 или 512 Кбайт. Другое название - COAST (Cache On A STick - буквально "кэш на палочке").

Модули динамической памяти кроме основных ячеек памяти могут иметь дополнительные ячейки для хранения битов четности (Parity) для байтов данных; такие SIMM иногда называют 9- и 36-разрядными модулями (по одному биту четности на байт данных). Биты четности служат для контроля правильности считывания данных из модуля, позволяя обнаружить часть ошибок (см. разд. 9.7). Модули с битами четности имеет смысл применять лишь там, где нужна очень высокая надежность. Для обычных применений подходят и тщательно проверенные модули без битов четности, однако при условии, что системная плата поддерживает такие типы модулей.

Проще всего определить тип модуля по маркировке и количеству микросхем памяти на нем: например, если на 30-контактном SIMM две микросхемы одного типа и еще одна - другого, то две первых являются основными (каждая - по четыре разряда), а третья предназначена для хранения битов четности (она одноразрядная).

В 72-контактном SIMM с двенадцатью микросхемами восемь из них хранят данные, а четыре - биты четности. Модули с количеством микросхем 2, 4 или 8 не имеют памяти для хранения битов четности.

Иногда на модули ставится так называемый имитатор четности - микросхема-сумматор, выдающая при считывании ячейки всегда правильный бит четности. В основном это предназначено для установки таких модулей в платы, где проверка четности не отключается.

72-контактные SIMM имеют четыре специальных линии PD (Presence Detect - обнаружение наличия), на которых при помощи перемычек может быть установлено до 16 комбинаций сигналов. Линии PD используются в некоторых материнских платах для определения наличия модулей памяти в разъемах и их параметров (объема и быстродействия). В большинстве универсальных плат производства "третьих фирм", как и выпускаемые ими SIMM, линии PD не используются.

В модулях DIMM в соответствии со спецификацией JEDEC технология PD реализуется при помощи перезаписываемого ПЗУ с последовательным доступом (Serial EEPROM) и носит название Serial Presence Detect (SPD). ПЗУ представляет собой 8-выводную микросхему, размещенную в углу платы DIMM, а его содержимое описывает конфигурацию и параметры модуля. Системные платы с набором микросхем (чипсетами) 440LX/BX могут использовать SPD для настройки системы управления памятью. Некоторые системные платы могут обходиться без SPD, определяя конфигурацию модулей обычным путем.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие типы памяти существуют?

2. Проведите моделирование ячейки статической памяти на рис. 9.46. Задачей моделирования является выбор двоичных комбинаций для сигналов на входе ячейки и регистрация результата на выходе ячейки с помощью индикатора IND.

3. На базе схемы на рис. 9.45 разработайте схему четырехразрядного ОЗУ с применением генератора слова. При этом в схеме на рис. 9.45 используйте только 4 младших адреса (два по строкам и два по столбцам) и соответственно только две шины данных (две входные и две выходные). К выходным шинам подключите индикаторы.

4. Где в современных компьютерах используется память статического типа?

5. Чем отличается динамическая память от статической?

6. Какие типы динамической памяти используются в современных компьютерах?

7. Что такое видеопамять и как она связана с характеристиками отображаемой на дисплее информации?

8. Какие типы памяти используются в качестве видеопамяти?

9. Какое конструктивное оформление имеют микросхемы памяти?

Динамические оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)

Статические оперативные запоминающие устройства позволяют обеспечивать хранение записанной информации до тех пор, пока на микросхему подаЈтся питание. Однако запоминающая ячейка статического ОЗУ занимает относительно большую площадь, поэтому для ОЗУ большого объема в качестве запоминающей ячейки применяют конденсатор. Заряд на этой Јмкости естественно с течением времени уменьшается, поэтому его необходимо подзаряжать с периодом приблизительно 10 мс. Этот период называется периодом регенерации. Подзарядка Јмкости производится при считывании ячейки памяти, поэтому для регенерации информации достаточно просто считать регенерируемую ячейку памяти.

Схема запоминающего элемента динамического ОЗУ и его конструкция приведена на рисунке 1.

Схема запоминающего элемента динамического ОЗУ и его конструкция.

При считывании заряда Јмкости необходимо учитывать, что Јмкость линии считывания много больше емкости запоминающей ячейки. Графики изменения напряжения на линии считывания при считывании информации с запоминающей ячейки без применения регенерации приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Графики изменения напряжения на линии считывания при считывании информации с запоминающей ячейки.

Первоначально на линии записи/считывания присутствует половина питания микросхемы. Для регенерации первоначального напряжения в схеме применяется RS триггер, включенный между двумя линиями записи/считывания. Схема такого включения приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема регенерирующего каскада.

Для уменьшения времени регенерации при считывании одной ячейки памяти в строке запоминающей матрицы регенерируется вся строка.

Особенностью динамических ОЗУ является мультиплексирование шины адреса. Адрес строки и адрес столбца передаются поочередно. Адрес строки синхронизируется стробирующим сигналом RAS# (Row Address strobe), а адрес столбца - CAS# (Column Adress Strobe). Мультиплексирование адресов позволяет уменьшить количество ножек микросхем ОЗУ. Изображение микросхемы динамического ОЗУ приведено на рисунке 4, а временные диаграммы обращения к динамическому ОЗУ на рисунке 5.

Рисунок 4. Изображение динамического ОЗУ на принципиальных схемах.

Рисунок 5. Временная диаграмма обращения к динамическому ОЗУ

Приведенные на рисунке временные диаграммы предполагают при обращении к ячейке памяти дважды выставлять на шине адреса код обращения к ячейке памяти ОЗУ. Обычно обращение ведется к данным, лежащим в соседних ячейках памяти, поэтому не обязательно при считывании каждый раз передавать адрес строки. Такой режим обращения к динамическому ОЗУ называется быстрый страничный режим доступа FPM (Fast Page Mode). Длина считываемого блока данных равна четырем словам. Для того, чтобы оценить время такого режима доступа к памяти время измеряют в тактах системной шины процессора. В обычном режиме доступа к памяти время доступа одинаково для всех слов. Поэтому цикл обращения к динамической памяти можно записать как 5-5-5-5.

При режиме быстрого страничного доступа цикл обращения к динамической памяти можно записать как 5-3-3-3, то есть общее время доступа к памяти сокращается почти в полтора раза. Временная диаграмма режима FPM приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Временная диаграмма обращения к динамическому ОЗУ в режиме FPM.

Еще одним способом увеличения быстродействия ОЗУ является применение EDO (Extended Data Out: ОЗУ с расширенным выходом данных). В EDO в усилителях регенератрах не сбрасываются по окончанию строба CAS#, поэтому считывание данных происходит быстрее. Для EDO ОЗУ цикл обращения к динамической памяти можно записать как 5-2-2-2.

Следующим шагом в развитии схем динамического ОЗУ было применение в составе ОЗУ счетчика столбцов. То есть при переходе адреса ячейки к следующему столбцу матрицы адрес столбца инкрементируется автоматически. Такое ОЗУ получило название BEDO (ОЗУ с пакетным доступом).

В синхронном ОЗУ (SDRAM) увеличение быстродействия получается за счет применения конвейерной обработки сигнала. Как известно при использовании конвейера можно разделить отдельные операции такие как выборка строк, выборка столбцов считывание ячеек памяти и производить эти операции одновременно. При этом пока на выход передаЈтся считанное ранее данное производится дешифрация столбца для текущей ячейки памяти и производится дешифрация строки для следующей ячейки памяти. Этот процесс иллюстрируется следующим рисунком:

Рисунок 7. Структурная схема конвейерной обработки данных.