Запоминающие устройства. 2

     Введение

     запоминающий  микросхема оперативный тактовый

     Системы памяти современных ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для хранения используемой в ЭВМ информации. К этой информации относятся обрабатываемые данные, прикладные программы, системное программное обеспечение и служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.

     Ключевым принципом построения памяти в микропроцессорных системах является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Классификация запоминающих устройств 

     В настоящее время существует большое  количество различных типов ЗУ, используемых в микропроцессорных системах. Эти  устройства различаются рядом признаков: принципом действия, логической организацией, конструктивной и технологической реализацией, функциональным назначением и т.д. Требуемые характеристики памяти достигаются не только за счет применения ЗУ с соответствующими характеристиками, но в значительной степени за счет особенностей ее структуры и алгоритмов функционирования.

     Классификация запоминающих устройств и систем памяти позволяет выделить общие  и характерные особенности их организации, систематизировать базовые  принципы и методы, положенные в  основу их реализации и использования.

     Важнейшим признаком является способ доступа  к данным. По этому признаку различаются 2 вида ЗУ – адресные и последовательные.

     Адресные  ЗУ: код на адресном входе указывает  ячейку, с которой ведется обмен.

     Адресные  ЗУ: делятся на RAM (Random ACCESS Memory или ОЗУ - оперативные запоминающие устройства) и ROM (Read-Only Memory или ПЗУ - постоянные запоминающие устройства).

     RAM делятся на статические - SRAM (Static RAM) и динамические -DRAM (Dynamic RAM).

     В статических ОЗУ запоминающими  элементами являются триггеры. В динамических ОЗУ данные хранят в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Запоминающие конденсаторы разряжаются, поэтому каждые несколько миллисекунд данные должны регенерироваться

     Плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз выше, чем статических. Динамические ОЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невысокой стоимостью, но имеют большее энергопотребление и меньшее быстродействие.

     Постоянная  память типа ROM имеет следующие разновидности:

     Программируемые при изготовлении ИМС с помощью  одной из масок. Эта память типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). [ROM(M)]

     Память, программируемая пользователем (ППЗУ - программируемые ПЗУ):

     PROM - содержимое записывается однократно в память.

     EPROM и EEPROM - содержимое может быть заменено путем стирания информации и записи новой. В EPROM - стирание путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами (РПЗУ-УФ - репрограммируемые ПЗУ с УФ стиранием).

     В EEPROM - стирание происходит электрическими сигналами (РПЗУ-ЭС - репрограммируемые ПЗУ с электрическим стиранием).

     Запись  данных для EPROM и E2PROM производится элетрическими сигналами.

     Последовательные  ЗУ FIFO;

     Стековые (LIFO);

     В FIFO запись в буфер становится сразу доступной для чтения, т.е. поступает в конец цепочки (First In - First Out) – «первый пришел – первый вышел».

     В стековых ЗУ считывание происходит в  обратном порядке (последний принят – первый вышел) – LIFO (Last In – First Out).

     Рис.1 Классификация запоминающих устройств. 

     2. Постоянные запоминающие устройства 

     Традиционно сложилось, что под термином ПЗУ  понимают полупроводниковую микросхему, в которой записана информация. Причем считается, что изменить информацию в ПЗУ невозможно, или этот процесс  требует специальных действий, недоступных  в домашних условиях, например, из-за необходимости иметь программатор. Но развитие полупроводниковых технологий размыло это определение, т. к. появились микросхемы флэш-памяти, которые близки по характеристикам к обычной оперативной памяти (например, флэш-карты в цифровых фотоаппаратах). Даже для ПЗУ с программой BIOS теперь используется микросхема флэш-памяти, которую пользователь может сам очень просто перепрограммировать, переустановив (и то не всегда) джампер на системной плате и запустив программу перезаписи. 
Первыми полупроводниковыми ПЗУ были масочные микросхемы, которые выпускаются до сих пор, но используются только в устройствах для массового производства, когда требуется минимальная цена. Информация в них раз и навсегда занесена при изготовлении с помощью специальных трафаретов-масок, как при печати книг. Для таких микросхем используют также термин "заказная микросхема", т. к. их производят отдельными уникальными партиями, используя спецификации заказчика. Маркировка масочных микросхем, за исключением серийных данных производителя, всегда уникальна. Изменить хоть один бит в масочной микросхеме нельзя. Главные достоинства таких ПЗУ — дешевизна. 
В старых компьютерах масочные ПЗУ чаще всего используются для хранения BIOS. Замене они не подлежат, но, к счастью, цоколевка наиболее популярных масочных ПЗУ совпадает с цоколевкой микросхем однократно или многократно программируемой постоянной памяти, что позволяет установить аналог, записав в него нужную информацию. 
Микросхемы с однократным программированием появились как следствие того, что для множества применений использование масочных ПЗУ экономически невыгодно. В ряде случаев изготовителю прибора (компьютера) удобнее самому записать нужную информацию в "чистую" микросхему. Такие микросхемы, называемые программируемыми ПЗУ (ППЗУ, PROM), разрабатывались по технологии с пережигаемыми металлическими перемычками или полупроводниковыми зонами. У этих типов микросхем есть достаточно серьезные недостатки — пережженный контакт со временем мог восстановиться, искажая записанную информацию, и не все микросхемы в одной партии могли быть правильно запрограммированы. Несмотря на проблемы, ППЗУ с пережигаемыми контактами широко применяются в различной радиоаппаратуре и компьютерах. Программировать такого типа ППЗУ можно только в специальных программаторах, т. к. требуется подача на выводы микросхемы напряжений, значительно отличающихся от тех, которые используются при чтении. 
Следующим шагом развития полупроводниковой технологии стало появление многократно записываемых ПЗУ, называемых сейчас репрограммируе-мыми ПЗУ (РПЗУ, EPROM), в которых можно было стереть ранее запибан-ную информацию и записать новую. 
В наиболее массовых типах РПЗУ информация стиралась с помощью ультрафиолетового облучения кристалла микросхемы. В таких микросхемах для доступа ультрафиолетового света сделано специальное окошечко, закрытое кварцевым стеклом (рис. 3.24), которое после программирования обязательно надо заклеивать непрозрачной липкой лентой для защиты от самопроизвольного стирания от люминесцентного и солнечного света. Время, необходимое для стирания, примерно 5—10 минут (излишне долгое время стирания проводит к сокращению срока службы микросхемы и даже к невозможности нового программирования). Основной недостаток РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием заключается в деградации запоминающих областей на полупроводниковом кристалле, что приводит к весьма малому количеству циклов перепрограммирования — всего около 10. 
Наиболее популярные восьмибитные РПЗУ, используемые в старых компьютерах, а также в различных периферийных устройствах, имеют обозначение 21xx-t и 27Сxx-t, где хх — обозначает их емкость в килобайтах (8, 16, 32, 64 Кбайт). Для микросхем емкостью 128 и 256 Кбайт используются обозначения 27010 и 27020. Для 16-битных микросхем емкостью 64 К слов (1 Мбайт) и 128 К слов (2 Мбайт) используются обозначения 27001 и 27002. Буква t обозначает время доступа к данным, которое обычно лежит в диапазоне 50—250 не. Хотя приведенная система маркировки микросхем РПЗУ широко применяется, многие фирмы используют и свои системы обозначений, которые не соответствуют приведенной выше. Программирование таких микросхем производится с помощью специальных программаторов, но более простых, чем для однократно программируемых. Возможно программирование микросхемы и в составе устройства, если разработчики предусмотрели возможность подачи повышенного напряжения (обычно 12—26 В, что указывается на корпусе микросхемы) на вывод программирования, правда, надо учитывать, что такты программирования значительно длиннее, чем такты чтения.  
С использованием вышеприведенных РПЗУ связана интересная особенность, которая вначале приводит пользователя в недоумение — в кроватку типа DIP-32 можно вставить микросхему с корпусом DIP-28, а в кроватку DIP-28 — DIP-24, пропуская контакты, ближние к ключу. 

3. Оперативные запоминающие устройства 

    Оперативные ЗУ подразделяются на ЗУ с произвольной выборкой и ЗУ с последовательным доступом. ЗУПВ подразделяются на:  
- статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ);  
- динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ). ЗУ с последовательным доступом подразделяются на:  
- регистры сдвига;  
- приборы с зарядовой связью (ПЗС).

    В основе большинства современных  ОЗУ лежат комплиментарные МОП  ИМС (КМОП), которые отличаются малой  потребляемой мощностью. Это достигается применением пары МОП транзисторов с разным типом канала: n-МОП и p-МОП. Как видно на рис. 4.5, в КМОП инверторе как при низком, так и при высоком уровне сигнала на входе один из транзисторов закрыт. Поэтому потребление энергии происходит только при переключении "1"R"0" (и обратно). 

    Рис. 4.5 Схема КМОП инвертора.

    Чтобы реализовать на подложке n-типа не только p-канальный транзистор, но и n-канальный, последний изготавливается в  так называемом "кармане", как  показано на рис. 4.6

    Рис. 4.6 Конструкция инвертора на КМОП транзисторах.

    Аналогично  на четырех МОП транзисторах (2 n-МОП  и 2 p-МОП, включенных параллельно и  последовательно) можно построить  и другие базовые логические элементы "И" и "ИЛИ" и, соответственно, на их основе строятся все другие более  сложные логические схемы.

    Как известно, быстродействие МОП транзисторов в первую очередь ограничивается большой входной емкостью затвор-исток (подложка). Уменьшение геометрических размеров приборов (площади затвора  и длины канала) при увеличении степени интеграции увеличивает граничную частоту.

    Малое потребление энергии позволяет  использовать КМОП ИМС с питанием от микробатареи как ПЗУ, где располагается  часть операционной системы, которая  осуществляет начальную загрузку всей системы (программа Setup).  
 

3.1 Статические запоминающие устройства 

    Элементарной  ячейкой статического ОЗУ с произвольной выборкой является триггер на транзисторах Т1-Т4 (рис. 4.7) с ключами Т5-Т8 для доступа к шине данных. Причем Т1-Т2 - это нагрузки, а Т3-Т4 - нормально закрытые элементы.

    Рис. 4.7 Ячейка статического ОЗУ.

    Сопротивление элементов Т1-Т2 легко регулируется в процессе изготовления транзистора  путем подгонки порогового напряжения при легировании поликремниевого  затвора методом ионной имплантации. Количество транзисторов (6 или 8) на ячейку зависит от логической организации памяти микропроцессорной системы.  
 

3.2 Динамические запоминающие устройства

    В отличие от статических ЗУ, которые  хранят информацию пока включено питание, в динамических ЗУ необходима постоянная регенерация информации, однако при этом для хранения одного бита в ДОЗУ нужны всего 1-2 транзистора и накопительный конденсатор (рис. 4.8). Такие схемы более компактны.

    Рис. 4.8. Запоминающая ячейка динамического  ОЗУ. 

    Рис. 4.9 Конструкция ячейки ДОЗУ (см. рис. 4.8, слева). Снизу представлен разрез схемы по линии А-А.

    Естественно, что в микросхеме динамического  ОЗУ есть один или несколько тактовых генераторов и логическая схема  для восстановления информационного  заряда, стекающего с конденсатора. Это несколько "утяжеляет" конструкцию ИМС.

    Чаще  всего и СОЗУ, и ДОЗУ выполнены  в виде ЗУ с произвольной выборкой, которые имеют ряд преимуществ  перед ЗУ с последовательным доступом. 
 
 

4. Внешние запоминающие устройства 
 

     Внешняя память компьютера или ВЗУ - важная составная часть электронно-вычислительной машины, обеспечивающая долговременное хранение программ и данных на различных носителях информации.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) - можно  классифицировать по целому ряду признаков : по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т.д. При этом под носителем понимается материальный объект, способный хранить информацию.

Свойства  внешней памяти :

     1)ВЗУ энергонезависима, целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер .

     2)В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. 
 

В состав внешней памяти включаются :

• НЖМД – накопители на жёстких магнитных дисках.
• НГМД – накопители на гибких магнитных дисках.
• НОД – накопители на оптических дисках (компакт-дисках CD-R, CD-RW, DVD).
• НМЛ – накопители на магнитной ленте (стримеры).
• Карты памяти.

Накопители  – это запоминающие устройства, предназначенные для длительного (то есть не зависящего от электропитания) хранения больших объемов информации.

Кроме основной своей характеристики –  информационной емкости – дисковые накопители характеризуются и двумя  другими показателями : временем доступа  и скоростью считывания последовательно  расположенных байтов. 

4.1 Накопители на жестких дисках 

     Накопитель  на жёстких магнитных дисках (HDD – Hard Disk Drive, винчестер) - это запоминающее устройство большой ёмкости, в котором  носителями информации являются круглые  алюминиевые пластины, обе поверхности  которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации - программ и данных. HDD обычно называют «винчестером» – так в свое время стали называть одну из первых моделей Накопителя на жёстких магнитных дисках, которая имела обозначение «30/30» и этим напоминала маркировку известного оружия. 
 

4.2 Винчестер 

     Поверхность диска рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых  считается битом и может быть установлена в 0 или 1. Так как расположения точечных позиций определяется неточно, то для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают записывающему устройству находить позиции записи. Процесс нанесения таких меток называется физическим форматированием и является обязательным перед первым использованием накопителя. Винчестеры имеют очень большую ёмкость : от сотен Мегабайт (самые старые) до десятков терабайт. 
 
 
 
 
 

Структурные элементы винчестера.

На каждой стороне каждой пластины размечены  тонкие концентрические окружности (по ним располагаются синхронизирующиеся метки). Каждая концентрическая окружность называется дорожкой. Группы дорожек (треков) одного радиуса, расположенных на поверхностях магнитных дисков, называются цилиндрами.

Номер цилиндра совпадает с номером  образующей дорожки. HDD могут иметь по несколько десятков тысяч цилиндров.

Каждая  дорожка разбивается на секторы. Сектор – наименьшая адресуемая единица  обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Нумерация  секторов начинается с 1. Для того чтобы  контроллер диска мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора : номер цилиндра, номер поверхности, номер сектора ([c-h-s]).

Операционная  система при работе с диском использует, как правило, собственную единицу  дискового пространства, называемую кластером. Кластер (ячейка размещения данных) - объем дискового пространства, участвующий в единичной операции чтения/записи, осуществляемой операционной системой. 

4.3 Магнитные накопители 

     Накопитель  на гибких магнитных дисках - Гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) – устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Наиболее распространены – «трехдюймовые дискеты». Дискета 3,5 имеет 2 рабочие поверхности, 80 дорожек на каждой стороне, 18 секторов на каждой дорожке (512 байт – каждый сектор).

Устройство  дискеты : Принцип записи на магнитных  носителях основан на намагниченности  отдельных участков магнитного слоя носителя. Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Емкость сектора постоянна и составляет 512 байтов. 

Примечание: на сегодняшний день дискеты устарели, на смену им «пришли» более надежные, быстродействующие и более емкие носители – оптические диски и карты памяти... 
 
 
 

4.4 Накопители на магнитной ленте (стримеры) 

     Стример (англ. tape streamer) – устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 - 2 Гбайта и больше. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации. 

Примечание: на сегодняшний день стримеры устарели и практически не применяются...

5. Основные характеристики ЗУ 

Как всякое сложное техническое устройство, ЗУ состоит из отдельных частей со строго определенным назначением.         

Накопитель – часть ЗУ, предназначенная непосредственно для хранения информации.         

Запоминающая  среда – материал, в (на) котором данные могут быть представлены в виде физических изменений его состояния.         

Запоминающий  элемент  (ЗЭ) – часть памяти, используемая для хранения наименьшей единицы данных.          

Основными параметрами ЗУ являются:

- информационная емкость,

- разрядность,

- быстродействие,

- надежность,

- удельная плотность,

- мощность потребления,

- физический объем.

      Информационная  емкость определяется наибольшим количеством информации, которая может быть зафиксирована данным ЗУ.  Емкость ЗУ чаще всего измеряется количеством N хранимых слов. Однако часто используются и другие величины: двоичная единица информации бит; байт (один байт равен 8 битам),  килобит.

      Разрядность n - количество разрядов в запоминаемом слове. Разрядность слов в ЗУ, как правило, кратна байту.

      Для оценки быстродействия ЗУ используются, например, такие временные характеристики:

      - время записи t_зап - время от момента подачи кода адреса на регистр адреса ЗУ до окончания процесса записи в накопителе ЗУ;

      - время выборки t_выб - время от момента подачи кода регистра адреса на РА ЗУ до момента поступления считанного слова на регистр числа ЗУ.

      Наиболее  полной характеристикой быстродействия ЗУ является время цикла  Т_ц -  минимальное время между двумя последовательными обращениями к ЗУ.

Надежность  ЗУ – обобщенное качество, определяемое совокупностью его свойств и характеристик, обеспечивающих выполнение функций записи, хранения и считывания информации при определенных условиях эксплуатации. В общем случае надежность как свойство системы не может быть в полной мере оценена ни одним из количественных критериев. Поэтому при оценке надежности ЗУ наиболее часто используют характеристики конструктивной, информационной, а также параметрической надежности.

      Основными показателями конструктивной надежности, рассчитываемыми на основании  λ - характеристик элементов, являются:   

      - вероятность  P  безотказной работы на заданном интервале времени;

      - среднее время  Т_ср  безотказной работы и др.

      Информационная  надежность ЗУ определяется его помехоустойчивостью, т.е. способностью сохранять информацию при воздействии дестабилизирующих факторов.

      Основные  характеристики параметрической надежности ЗУ – область устойчивой работы, построенная в координатах параметров, наиболее сильно влияющих на работоспособность ЗУ (чаще в координатах возбуждения токов или питающих напряжений).

      В качестве количественного показателя стоимости ЗУ чаще используютабсолютную стоимость С устройства, или приведенную стоимость хранения одного бита информации:     

Экономичность ЗУ оценивается косвенным методом – сравнением количества расходуемого оборудования как в отдельных блоках устройства, так и в ЗУ в целом.        

  С ростом информационной емкости  и быстродействия ЗУ все более  жесткие ограничения накладываются  на величину мощности потребления и длину связей. Это предопределяет повышение требований к конструкции и компактности ЗУ, характеризуемых удельной плотностью хранения информации.         

Удельная  плотность – количество информации, приходящееся на единицу физического объема, бит/см³: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

1. Классификация запоминающих устройств……………………………… 

2. Постоянные  запоминающие устройства;

3. Оперативные запоминающие устройства:

                 3.1. Статистические ОЗУ;

                 3.2. Динамические ОЗУ;

4. Внешние  запоминающие устройства:

                 4.1. Накопители на жёстких дисках;

                 4.2. Винчестер;

                 4.3. Магнитные накопители;

                 4.4. Накопители на магнитной ленте;

5. Основные  характеристики запоминающих устройств;         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  используемой литературы и сайтов, с используемой информацией:

Большая советская энциклопедия, 3 издание, 1969-1978;

 www.about-pc.narod.ru;

 www.dfe.karelia.ru;

www.intuit.ru;

 ru.wikipedia.org;

www.naf-st.ru;