Устройства ЭВМ

Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Запоминающие устройства делятся на основную или оперативную память (ОП), сверхоперативную память (СОЗУ), ассоциативную память (память с выборкой по содержанию) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Основная память

Основная память включает в себя два типа устройств: оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (RAM - Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM - Read Only Memory).

ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения, хранения.

ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, - например, стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ. Но ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью).

В современных ЭВМ микросхемы памяти изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле.

Основной составной частью микросхемы является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.

Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющие обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом. При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, в связи с чем адрес делится на две части (две координаты) - и . На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.

Рис. 15.1. Структурная схема ОЗУ

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из матриц ЭП, где - количество разрядов в машинном слове).

Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить , то емкость памяти (т. е. количество элементов памяти, имеющих уни-кальные адреса) определяется как . Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержала 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП мог быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до Гб.

Микросхемы памяти могут строиться на статических (Static Random Access - SRAM) и динамических (Dynamic Random Access - DRAM) ЭП. В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер. В качестве динамического ЭП может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.

Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченно долго (при включенном питании). Динамические ЭП с течением времени записанную в них информацию теряют (например, из-за саморазряда конденсатора), поэтому они нуждаются в периодическом восстановлении записанной в них информации - в регенерации.

Микросхемы элементов памяти динамических ОЗУ отличаются от аналогичных ЭП статических ОЗУ меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем имеют меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле. Однако из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.

Микросхемы ПЗУ так же построены по принципу матричной структуры накопителя. Функции элементов памяти в них выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. В такой матрице наличие перемычки может означать "1", а ее отсутствие - "0". Занесение информации в микросхему ПЗУ называется ее программированием, а устройство, с помощью которого заносится информация, - программатором. Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек по тем адресам, где должен храниться "0".

Обычно схемы ПЗУ допускают только одно программирование, но специальные микросхемы - репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) - допускают их многократное стирание и занесение новой информации. Этот вид микросхем также относится к энергонезависимым, т.е. может длительное время сохранять информацию при выключенном питании (стирание микросхемы происходит либо за счет подачи специального стирающего напряжения либо за счет воздействия на кристалл ультрафиолетового излучения, для этого в корпусе микросхемы оставляется прозрачное окно).

Сверхоперативная память

Сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2-10 раз) считывания/записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Регистр представляет собой электронное устройство, способное хранить занесенное в него число неограниченно долго (при включенном питании). Наибольшее распространение получили регистры на статических триггерах.

Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).

Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис.15.2).

Рис. 15.2.

Если запись в регистровую структуру (рис.15.2a) производится через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом линии задержки и работает по принципу "первым вошел - первым вышел" (FIFO - first input, first output).

Если же запись и чтение осуществляются через один и тот же регистр (рис.15.2б), такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу "первым вошел - последним вышел" (FILO - first input, last output). При записи числа в стековую память сначала содержимое стека сдвигается в сторону последнего, К-го регистра (если стек был полностью заполнен, то число из К-го регистра теряется), а затем число заносится в вершину стека - регистр 1. Чтение осуществляется тоже через вершину стека, после того, как число из вершины прочитано, стек сдвигается в сторону регистра 1.

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ЭВМ разработаны специальные микросхемы. Но часто работа стековой памяти эмулируется в основной памяти ЭВМ: с помощью программ операционной системы выделяется часть памяти под стек (в IBM PC для этой цели выделяется 64 Кбайта). Специальный регистр микро-процессора (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОП, выполняющей функции вершины стека. Чтение числа всегда производится из вершины стека, после чего указатель стека изменяется и указывает на очередную ячейку стековой памяти (т.е. фактически стек остается неподвижным, а перемещается вершина стека). При записи числа в стек сначала номер ячейки в указателе стека модифицируется так, чтобы он указывал на очередную свободную ячейку, после чего производится запись числа по этому адресу. Такая работа указателя стека позволяет реализовать принцип "первым вошел - последним вышел".

В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в обратном порядке. На этом свойстве построена система арифметических преобразований информации, известная под названием "логики Лукашевича".

Ассоциативная память

Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обращение к ней осуществляется по специальной маске, которая содержит поисковый образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. Например, если в такую память записана информация о людях, содержащая данные о месте жительства (включая город), и необходимо найти сведения о жителях определенного города, то название этого города помещается в маску и дается команда "чтение" - из памяти выбираются все записи, относящиеся к заданному городу.

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, и если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время.

Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора (так называемая "кэш-память I уровня") либо выполнена в виде отдельной микросхемы или модуля, содержащего несколько микросхем (внешняя кэшпамять, или кэш-память II уровня).

Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объем 16-32 Кбайт. Внешняя кэш-память (II уровня) имеет объем до 1Гбайта и работает с 64-битными словами.