Построение внутренней памяти

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Тюменский  государственный нефтегазовый университет»

Институт кибернетики, информатики и связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по теме

Построение  внутренней памяти

 

процессорной  системы

 

По дисциплине «Вычислительная техника»

 

 

Студента             Ефимов В.В.               «15»           ноябрь             2011г.

 

Группа МТСт 09-(9)-1

 

Вариант: №9

 

Специальность: Многоканальные телекоммуникационные системы

 

 

Руководитель       Пнева Т.П.     «     »                   2011г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2011

Техническое  задание

 

Вариант №9

 

 

Построить внутреннюю память процессорной системы, состоящую из ПЗУ и статического ОЗУ.

 

 

Адреса, покрываемые ПЗУ –  00000-1FFFF

 

Адреса, покрываемые ОЗУ -  40000-7FFFF

 

Емкость микросхемы ПЗУ – 64к*4

 

Емкость микросхемы ОЗУ – 128к*4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

1. Введение………………………………………………………………..4

 

 

2. Теоретическая часть………………………………………………..….6

 

1. Постоянное запоминающее устройство…………………………….6

 

2. Статические оперативные запоминающие устройства…………….11

 

 

3. Практическая часть……………………………………………………14

 

1. Определение емкости ПЗУ и ОЗУ………………………………14

 

2. Определение ПЗУ и ОЗУ………………………………………...16

 

4. Заключение……………………………………………………………..19

 

 

      Список  литературы………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Ведение

 

 

   Учебная дисциплина  «Вычислительная  техника» является общепрофессиональной и предусматривает изучение основ электронно-вычислительной техники, видов информации и способах ее обработки,   арифметических и логических основ ЭВМ, типовых узлов и устройств, основ микропроцессорных систем

Вычислительная техника  является важнейшим компонентом  процесса вычислений

История приспособлений для счета длинная, тысячелетняя. Самым древним «инструментом  счета», который сама природа предоставила человеку, была его собственная рука - десять пальцев, на которых люди учились считать, то есть производить первую арифметическую операцию. Не случайно в древнерусской нумерации первые десять цифр назывались перстами, то есть пальцами.

Счет с помощью косточек возник как самобытный способ счисления. Впоследствии он подготовил почву для  появления «дощаного счета» - прообраза  современных счетов.

 

От настольного арифмометра  до быстродействующей электронно-вычислительной машины. От простейшего планиметра до сложной электронной моделирующей установки. От небольшого счетного бюро до мощного вычислительного центра. Все это поставлено на службу человеку и позволяет ему с большой скоростью, точностью и надежностью выполнять арифметические действия с гигантскими числами, решать сложнейшие задачи вычислительной математики, изучать быстропротекающие процессы.

Другая часть вычислительной техники - счетно-перфорационные машины. Они работают с использованием перфорационных карт: картонных прямоугольников с отверстиями. Полный комплект таких машин образует поточную вычислительную линию, на которой перфокарты проходят все стадии обработки.

Счетно-перфорационные, или, как их еще называют, табуляторные машины обладают сравнительно большой  производительностью - десятки тысяч перфокарт в час. Счетно-перфорационный комплект - основное оборудование машинносчетных станций. В аналоговых устройствах и машинах математические величины представляются не числами, не конкретными, скачкообразно меняющимися данными, а определенным масштабом физических величин: перемещением углов поворота, напряжением электротока, уровнем жидкости. Эти машины позволяют производить вычисления над величинами, поступающими непрерывно, как струя воды. И ответ они дают по такому же принципу - непрерывно.

 

Лидеры в мире электронных устройств - это электронные цифровые вычислительные машины. По своим характеристикам, по назначению они делятся на большие, средние микро-, мини-ЭВМ, суперЭВМ и персональные ЭВМ.

 

 

Поколения ЭВМ не сменяют полностью одно другое: отработало, например, второе поколение, нет больше таких машин. Бывает, компьютеры разных поколений прекрасно уживаются рядом на протяжении многих лет. Только каждый выполняет свою работу в зависимости от производительности: одни попроще, другие - очень сложную.

У первого поколения машин быстродействие было от нескольких сотен до 20 тысяч операций в секунду. Память тоже от нескольких сотен до 8 тысяч машинных слов.

 

Второе поколение - на транзисторах и диодах – давало возможность поднять быстродействие до нескольких миллионов операции в секунду, а объем запоминающих устройств - до сотен тысяч машинных слов.

 

Машины третьего поколения  строили с использованием интегральных схем - миниатюрных вычислительных устройств на одном кристалле. Они  могут выполнять довольно сложные функции. Из таких отдельных серийных модулей можно собирать различные серии машин. Они экономичны, надежны. Быстродействие у них доходит до нескольких. миллионов операций в секунду. Внешняя память практически неограниченная - наборы магнитных дисков позволяют ее постоянно увеличивать.

 

Четкую грань между  машинами третьего и четвертого поколений  провести трудно. Пожалуй, главное отличие - технологический уровень: не просто интегральные схемы, а большие интегральные схемы - БИС - и, конечно, новые архитектурные решения. БИС позволяют строить микропроцессоры. Эти миниатюрные вычислительные устройства отличаются от ЭВМ полного объема только тем, что у них нет оперативной памяти и устройств ввода-вывода. Есть лишь внешние входы, к которым присоединяют память для хранения чисел и команд.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Постоянное запоминающее устройство

 

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM), которое еще  называют встроенной программой, представляет собой интегральную микросхему, при  изготовлении запрограммированную определенными данными. ПЗУ используются не только в компьютерах, но и в большинстве других электронных устройств.

 

Типы ПЗУ

 

 Имеется пять основных  типов ПЗУ: 

 

Собственно постоянное запоминающее устройство

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ)

Стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ)

Электрически стираемое программируемое  постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ)

Флэш-память

 

 Каждый тип памяти обладает  уникальными характеристиками, с которыми можно ознакомиться в настоящей статье, однако две характеристики являются общими для всех типов:

 

Хранящиеся в этих чипах данные не теряются при отключении питания.

Данные в этих чипах либо невозможно изменить, либо для их перезаписи требуется специальная операция (в отличие от оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), запись информации в которых осуществляется так же легко, как и считывание).

 

 Отключение питания чипа  не приводит к потере данных.

 

Как работают ПЗУ

 

 Так же, как и в ОЗУ, в чипах ПЗУ имеется сетка, составленная столбцами и строками. Однако в местах пересечений столбцов и строк чипы ПЗУ принципиально отличаются от ОЗУ. В ОЗУ для включения и выключения доступа к конденсатору на каждом пересечении используются транзисторы, а в ПЗУ для соединения линий при логической единице используется диод. Если в определенной ячейке ОЗУ записан 0, линии вообще не соединяются.

 

 

 

 

 Диод в обычных условиях  пропускает ток только в одном  направлении и характеризуется  наличием определенного порога, который называют порогом смещения при прямом включении. Этим порогом определяется значение электрического тока, требующегося для того, чтобы открылся диод. В кремниевых устройствах, таких как процессоры и чипы памяти, напряжение прямого смещения приблизительно равно 0,6 вольта. Используя уникальные свойства диода, чип ПЗУ может направлять заряд, превышающий порог смещения при прямом включении, на выбранный столбец, тогда как строка, соответствующая опрашиваемой ячейке, заземляется. Если в опрашиваемой ячейке имеется диод, он пропустит заряд на землю и согласно двоичной системе эта ячейка будет распознана как "включенная" (значение 1). Положительным свойством ПЗУ является также то, что если значение ячейки равно 0, на соответствующем пересечении нет диода, соединяющего строку и столбец. Поэтому заряд с выбранного столбца не может попасть на соответствующую строку.

 

 Очевидно, что принцип  работы ПЗУ предусматривает правильное  и полное введение данных на  этапе создания этого устройства. Стандартный чип ПЗУ нельзя перепрограммировать или перезаписать. Если записанные данные неправильные или нужно их обновить, приходится выбрасывать устаревший чип ПЗУ и заменять его новым, с соответствующими данными. Создание шаблона оригинала для чипа ПЗУ часто является трудоемким процессом, изобилующим пробами и ошибками. Однако преимущества ПЗУ превосходят их недостатки. После того, как изготовлен шаблон, производство самих чипов может стоить очень дешево, несколько центов за штуку. Такие чипы потребляют мало энергии, очень надежны и в случае применения в большинстве небольших электронных устройств содержат все программы, необходимые для управления таким устройством. Хороший пример использования ПЗУ – небольшой чип памяти в игрушке "поющая рыба". В таком чипе ПЗУ содержится 30-секундная запись песни и коды для синхронизации электродвигателей с ритмом музыки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

 

Очень часто в различных  применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы  в микроконтроллерах, начальные загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах, DDC и DUC, таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства называются ROM (read only memory - память доступная только для чтения). Схема такого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) приведена на рисунке

 

 

В этой схеме построено  постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание  конкретного бита в одноразрядную  ячейку производится запайкой провода  к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля).

 

 

Для того, чтобы увеличить  разрядность ячейки памяти ПЗУ эти  микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно  остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рисунке

В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие  ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше - это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в двухмерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Программируемые ПЗУ оказались  очень удобны при мелкосерийном  и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств  часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.

 

В последнее время  наметилась тенденция уменьшения габаритов  ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних выводов микросхем. Для  этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов - SPI порт и I2C порт (микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX.

 

При обращении к постоянному  запоминающему устройству сначала  необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке

 

 

 

 

 

 

 

2.2.Статические оперативные запоминающие устройства - ОЗУ (RAM)

 

 

В радиоаппаратуре часто  требуется хранение временной информации, значение которой не важно при  включении устройства. Такую память можно было бы построить на микросхемах EEPROM или FLASH -памяти, но, к сожалению, эти микросхемы дороги, обладают малым количеством перезаписей и чрезвычайно низким быстродействием при считывании и особенно записи информации. Для хранения временной информации можно воспользоваться параллельными регистрами. Так как запоминаемые слова не нужны одновременно, то можно воспользоваться механизмом адресации, который применяется в ПЗУ.

 

Схемы, в которых в  качестве запоминающей ячейки используется параллельный регистр называются статическим  оперативным запоминающим устройством - статическим ОЗУ (RAM - random access memory - память с произвольным доступом), т.к. информация в нем сохраняется все время, пока к микросхеме ОЗУ подключено питание. В отличие от статической ОЗУ в микросхемах динамического ОЗУ постоянно требуется регенерировать их содержимое, иначе информация будет испорчена.

 

В микросхемах ОЗУ  присутствуют две операции: операция записи и операция чтения. Для записи и чтения информации можно использовать различные шины данных (как это  делается в сигнальных процессорах), но чаще используется одна и та же шина данных. Это позволяет экономить внешние выводы микросхем, подключаемых к этой шине и легко осуществлять коммутацию сигналов между различными устройствами.

Структурная схема статического ОЗУ  приведена на рисунке 1. Вход и выход  ОЗУ в этой схеме объединены при помощи шинного формирователя. Естественно, что схемы реальных ОЗУ будут отличаться от приведенной на этом рисунке. Тем не менее, приведенная схема позволяет понять как работает реальное ОЗУ. Условно-графическое обозначение ОЗУ на принципиальных схемах приведено на рисунке

 

 

Сигнал записи WR позволяет  записать логические уровни, присутствующие на информационных входах во внутреннюю ячейку ОЗУ (RAM). Сигнал чтения RD позволяет  выдать содержимое внутренней ячейки памяти на информационные выходы микросхемы. В приведенной на рисунке 1 схеме невозможно одновременно производить операцию записи и чтения, но обычно это и не нужно.

 

Конкретная ячейка ОЗУ  выбирается при помощи двоичного  кода - адреса ячейки. Объем памяти ОЗУ (RAM) зависит от количества ячеек, содержащихся в ней или, что то же самое, от количества адресных проводов. Количество ячеек в ОЗУ можно определить по количеству адресных проводов, возводя 2 в степень, равную количеству адресных выводов в микросхеме.

Вывод выбора кристалла CS микросхем ОЗУ позволяет объединять несколько микросхем для увеличения объема памяти ОЗУ.

 

 

Статические ОЗУ требуют  для своего построения большой площади  кристалла, поэтому их ёмкость относительно невелика. Статические ОЗУ применяются  для построения микроконтроллерных схем из-за простоты построения принципиальной схемы и возможности работать на сколь угодно низких частотах, вплоть до постоянного тока. Кроме того статические ОЗУ применяются для построения КЭШ-памяти в универсальных компьютерах из-за высокого быстродействия статического ОЗУ.

 

Временные диаграммы  чтения из статического ОЗУ совпадают  с временными диаграммами чтения из ПЗУ. Временные диаграммы записи в статическое ОЗУ и чтения из него приведены на рисунке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Практическая часть

3.1.Определение емкости ПЗУ и ОЗУ

 

Адреса, покрываемые ПЗУ  –  00000-1FFFF

 

Адреса, покрываемые ОЗУ -  40000-7FFFF

 

Емкость микросхемы ПЗУ – 64к*4

 

Емкость микросхемы ОЗУ – 128к*4

 

 

По полученному диапазону адресов  определим емкость ПЗУ и ОЗУ.

Определим количество изменяющихся разрядов и запишем адрес в       двоичном коде.

   Емкость ПЗУ.

Начальный адрес: 0000.0000.0000.0000.0000.

Конечный адрес: 0001.1111.1111.1111.1111.

Изменились 17 разрядов, следовательно, емкость ПЗУ – 2¹⁷.

Для 8-разрядной шины данных емкость ПЗУ 2¹⁷х8:

 

2¹⁷ =2⁷х2¹⁰,

2¹⁰=1К – килобит.

Таким образом, емкость ПЗУ равна 128к*8.

 

Емкость ОЗУ.

Начальный адрес: 0100.0000.0000.0000.0000.

Конечный адрес: 0111.1111.1111.1111.1111.

Изменились 18 разрядов, следовательно, емкость ОЗУ - 2¹⁸.

Для 8-разрядной шины данных емкость ОЗУ 2¹⁸х8:

 

2¹⁸=2⁸х2¹⁰,

2¹⁰=1К – килобит.

Таким образом, емксть ОЗУ  равна 256к*8.

 

 

 

 

 

 

 

 

Для изображения схемы необходимо определить:

 

1. Емкости микросхем ПЗУ и ОЗУ;
2. Структуры ПЗУ и ОЗУ (количество микросхем,способ соединения);
3. Общую структуру памяти;

 

 

 

Таким образом, схема  ПЗУ 64к*4 имеет 16 адресных входов и 4 входа/выхода и вход CS (выбор кристалла), и имеет вид: