ЛОГИЧЕСКА СТРУКТУРА НА ЗАПОМНЯЩИ УСТРОЙСТВА

§ 4.1 Общи сведения и класификация на запомнящите устройства

Паметта на цифровата изчислителната машина е необходима за практическата реализация на автоматичното й функциониране. Известно е, че в паметта на компютъра (най-общо казано на този етап от нашето изложение) се съхраняват програмите и данните. Ако това не беше така, то програмите и данните щяха да си останат записани в нашите тетрадки и изчисленията, например с помощта на калкулатор, щяха да се изпълняват със скорост, която в съвременни условия не би ни задоволила. Необходимостта от памет се обосновава чрез основния организационен принцип - принцип на програмно управление, за който подробно ще говорим в началото на следващата 5-та глава. Предназначението на паметта, както вече казахме, е да съхранява информацията във времето и при нужда бързо да я предоставя за четене или да я приема за съхраняване. В хода на тези мисли естествено стигаме до извода, че в паметта или още в запомнящото устройство, трябва да са възможни за изпълнение две основни операции – “Четене” и “Запис”. Като казваме операции имаме предвид определението, дадено в началото на 3-та глава. Тук разчитаме на това, че от теорията на крайните автомати, читателят е наясно със свойството паметливост.

Най-често представата ни за обобщения вътрешен строеж на паметта се свежда до множество еднотипни клетки (разбирайте регистри). Това множество от клетки е организирано линейно, т.е. ние си го представяме като вектор и го рисуваме като е показано на фигура 4.1.1:

Фиг. 4.1.1. Представа за запомнящ масив (памет)

Организацията на множеството се състои в това, че клетките са подредени в колонка и всяка от тях се идентифицира чрез порядковия си номер, който се нарича адрес. Адресът е необходим за да се получи достъп до клетката, а достъпът е необходим за бъде възможно изпълнението на една от основните за паметта операции. Обикновено разбирането ни е, че в даден момент, дадена операция запис или четене се извършва върху една единствена клетка, посочена чрез адреса й. Адресът е цяло число без знак – пореден номер. Ако приемем, че адресът е k-битово двоично число, то броят на клетките в паметта, които се идентифицират с уникален адрес е

В случая числото М се нарича обем или размер на адресното пространство, а числото k - дължина на адреса (формат на клетката). Така например, ако адресът е с дължина k=10[b], то размерът (обемът) на адресното пространство, или още броят на n-разрядните клетки, които могат да бъдат достъпни, е M=1[Кi], 1[Кi]=1024=2^k (1 кикибайта,според двоичните количествени означения).

В хоризонтално направление запомнящите елементи, които изграждат клетката, също са номерирани. Запомнящите елементи в една клетка са двузначни елементи (могат да помнят само 2 символа). Техният брой определя дължината (формàта) на двоичната дума, която може да се съдържа в една клетка. В зависимост от функционалното предназначение или още от логическата структура на устройствата, които обслужва паметта, дължината на нейната клетката е различна. В повечето реални случаи клетките имат дължина 8[b]=1[B] или дължина кратна на 8.

Множеството клетки от фигура 4.1.1 ще наричаме още запомнящ масив. Трябва да отбележим, че техническата реализация на запомнящият масив има известни затруднения, ето защо, както ще видим по-късно, в едно реално запомнящо устройство той представлява само един елемент (възможни са няколко) от цялостната му структура.

Запомнящият масив на паметта има обем Q, който изразява общия брой запомнящи елементи, които го изграждат:

Q = M.n [b]. (4.1.2)

Много често обемът на запомнящия масив се измерва и чрез мерната единица на дължината на думата, която се съдържа в клетката. Ако например клетката има дължина 16 бита, но дължината на думата в нея се измерва в байтове, то можем да кажем че тя е дълга 2 байта – 2[B] или още една дума – 1[W]. И ако адресът например е 10-битово число, тогава размерът (обемът) на адресното пространство на такава памет е M=1[Ki], а обемът на запомнящия масив, изразен в байтове ще бъде – Q=1[Ki].2[B]=2[KiB], т.е. 2 [КикиБайта]. Няма да сгрешим ако кажем, че обемът е Q=1[Ki].1[W]=1[KiW], т.е. 1 [КикиДуми]. Казаното дава да се разбере, че стойността на обема трябва винаги да се изяснява във връзка със конкретните стойности на параметрите k и n. Възможното двусмислие (между M и Q) се отстранява чрез понятието адресируема единица. Адресируема единица в паметта представлява всяка отделна клетка с цялостното й съдържание, което е достъпно с помощта на конкретен адрес. Така по-популярната, наложилата се мярка, е според формула (4.1.1), която изразява обема на паметта в брой адресируеми единици (клетки). Тъй като в тази формула единственият аргумент е k – дължината на адреса, то стойността на M се нарича още обем на адресното пространство. В този смисъл обемът на адресното пространство характеризира възможностите на адреса.

Техническата реализация на основните операции е достатъчно сложно, ето защо паметта възприемаме като сложно устройство. Това устройство ще наричаме запомнящо (ЗУ). Действието, свързано с основните операции, извършвани в запомнящото устройство, се нарича обръщение. Можем да се изразяваме още така – обръщение при четене или обръщение при запис. Освен споменатите по-горе структурни параметри запомнящите устройства се характеризират още със следните технически параметри:

· Време за достъп (access time). То може да бъде различно при запис и при четене. След момента на получаване на адреса в ЗУ това е необходимото време за осъществяване на достъп до адресираната клетка и запис в нея на подадените данни или още – при четене това е необходимото време за осъществяване на достъп до адресираната клетка и разпространение на съдържанието й до изхода за данни;

· Продължителност на цикъла за обръщение (memory cycle time). Това е минималното време, с което могат да следват едно след друго няколко обръщения;

· Производителност (transfer rate). Измерва се с броя на обръщенията за единица време.

В зависимост от продължителността на съхраняване на данните и скоростта за достъп, паметта в един компютър се дели главно на две части - основна (или още първична) и допълнителна (или още външна). Допълнителната памет се реализира в така наречените външни (периферни) запомнящи устройства, които тук не са обект на нашето внимание. Основната памет се нарича още оперативна (ОП), тъй като това е паметта, с която процесорът оперира непосредствено, като в нея се намират текущо изпълняваните програми и техните данни. Устройството, което я реализира се нарича оперативно запомнящо устройство или накратко ОЗУ.

Основните признаци, по които се правят най-често класификации на запомнящите устройства, са следните:

· Според физическия принцип използван за реализация на паметливост;

· Според схемната реализация на запомнящия елемент;

· Според възможните операции;

· Според метода за достъп.

Според физическия принцип, използван за реализация на запомнящите елементи, запомнящите устройства се делят по настоящем главно на:

· Електронни;

· Магнитни.

Електронните запомнящи елементи реализират свойството паметливост чрез способността на известни електронни схеми, наричани тригери, да поддържат във времето стабилно определено състояние. Възможните за един елементарен тригер състояния са две (0, 1). Запомнящи устройства с такива запомнящи елементи се наричат още статични. А поради загуба на свойството паметливост при отпадане на постоянното захранване, тези ЗУ се наричат още енергозависими. Статичният запомнящ елемент се реализира чрез няколко транзистора (обикновено 6), което означава, че заема значителна площ върху кристала на интегралната схема. Това затруднява изпълнението на големи по обем памети. Ние се въздържаме тук от конкретните примери, имайки предвид динамиката на възможностите в производствените технологии, но все пак можем да кажем, че в съвременни условия статичните запомнящи устройства се използват преди всичко за изграждане на свръх бързи памети с неголям обем от порядъка на 1[M], който благодарение на възможностите на производствените технологии, е с тенденция да нараства. Друг съществен фактор, който определя горе изказаната характеристика, е че този тип памет има значително по-високата консумация на ток.

Алтернатива на статичните са динамичните запомнящи елементи. Като запомнящ елемент се използва кондензатор (реализиран чрез полупроводников преход), който “помни” заредената в него стойност. При добър диелектрик (изолатор между пластините) времето за разреждане (на (“забравяне”) на кондензатора е близо 100[ms]. С повишаване на работната температура обаче това време намалява, като при типичните 70°С спада до 2[ms]. Този недостатък изисква върху елементите на паметта периодично да се изпълнява специална процедура наричана опресняване или още регенерация.

Необходимостта от опресняване (напомняне) на информацията в този вид запомнящ елемент дават споменатото вече име на този тип памети (динамични). Поради малкия брой електронни елементи (3, 2 или даже 1), изграждащи запомнящия елемент, той заема много малка площ върху полупроводниковия кристал, което позволява на съвременните интегрални схеми да побират памет с много голям обем – към настоящия момент в порядъка на гигабайт [G] (по-правилното означение е гибибайт[Gi]), с тенденция да нараства. Динамичните памети са също енергозависими.

Тук искаме да предупредим читателя, че излагането на всякакви технически данни, отнасящи се електронните елементи в интегралните схеми, могат да се окажат неактуални още в момента на тяхното публикуване във всяка една от нашите книги. Това се дължи на силната конкуренция между фирмите производители, които непрекъснато усъвършенстват своята продукция. И за да не бъдем критикувани, че не сме актуални, нашето отношение е принципно, а за точните стойности на един или друг параметър, читателят е длъжен да се осведомява от публикациите на конкретния производител.

Явлението магнетизъм, характерно за някои материали също се използва за построяване на запомнящи устройства. Материалите, способни да се намагнитват, са получават като сплави на желязото и обобщено се наричат феромагнитни. Паметливостта се изразява в това, че след поставянето на такива материали в условията на постоянно магнитно поле, те преструктурират кристалната си структура така, че след отпадане на полето те вече притежават остатъчна магнитна индукция – Br. Остатъчната магнитна индукция формира собствено магнитно поле на намагнитения материал, което става негово трайно във времето свойство. Остатъчната магнитна индукция може да бъде положителна и отрицателна, което означава, че магнитните запомнящи елементи са двузначни.

Феромагнетици са химични елементи (метали) с недостроени вътрешни електронни слоеве, съдържащи електрони, чиито спинови магнитни моменти не са взаимно компенсирани. Такива са желязо (Fe), кобалт (Со), никел (Ni), гадолиний (Gd). Свойства на феромагнетици притежават и някои сплави, несъдъжащи феромагнитни елементи - например системите манган-антимон (Mn-Sb), манган-алуминий- сребро (Mn-Al-Ag) и др. Във феромагнетиците има спонтанно намагнитени макрообласти с размери от порядъка 10^-4-10^-6[m], в които всички магнитни моменти на атомите (молекулите или йоните) са еднопосочно ориентирани. В ненамагнитен образец, при отсъствие на външно магнитно поле, магнитните моменти на домените са насочени базразборно в целия обем и намагнитеността е нула. Антиферомагнетиците се характеризират с антипаралелно ориентиране на некомпенсираните магнитни моменти на съседни атоми (молекули, йони). Те са подобни на слаби парамагнетици. Антиферомагнетик е например хромът (Cr). Феромагнетизмът е некомпенсиран антиферомагнетизъм. Наблюдава се, когато насочените антипаралелно некомпенсирани магнитни моменти на съседни атоми (молекули, йони) са с различни големини или когато не е еднакъв броят на противоположно насочените моменти. Феромагнетизъм могат да притежават само химични съединения, които съдържат Fe₂O₃ и един или повече оксиди на двувалентни (по-рядко едновалентни) метали. Феромагнетиците (феритите) имат доменна структура, магнитната им възприемчивост и съответно относителната магнитна проницаемост са много по-големи от 1, следователно те, подобно на феромагнетиците, притежават способността силно да се намагнитват във външно магнитно поле.

Според възможните в паметта основни операции "Запис" и "Четене", запомнящите устройства се делят главно на два вида :

· ЗУ за четене и за запис ( RAM - Random Access Memory );

· ЗУ само за четене ( ROM - Read Only Memory ).

Така споменатите по-горе статични и динамични запомнящи устройства най-често се определят като памети за четене и за запис, т.е. като RAM-памети. Често се означават SRAM и DRAM. Характерното за RAM-паметите е това, че съдържанието на всяка клетка може да бъде прочетено многократно, т.е. операция четене не променя съдържанието на клетките. За разлика от нея операция запис унищожава старото съдържание като го подменя с ново.

Не е логично да има памет само за запис, но е логично и има памети само за четене. Естествено многократните прочитания на съдържанието на клетки от такава памет следва да се предхожда от поне един запис. Ако този “запис” е осъществен по време на производствения процес, паметите се наричат постоянни – ROM-памети. Ако тази операция запис се извършва след производството на интегралната схема, паметта се нарича програмируема – PROM-памет. Програмирането, т.е. записът на данни в паметта, се осъществява в условия различни от тези, при които ще се изпълнява операция четене. Памети, в които веднъж записани данните не могат да се променят, също се наричат постоянни.

За по-голяма гъвкавост, за постоянните памети често се създава възможност за препрограмиране, т.е. възможност за подмяна на тяхното съдържание. Разбира се тази подмяна не се извършва в експлоатационни условия. Тук се разбира, че експлоатационните условия са условията, когато за изпълнение е възможна само операция четене. Съществуват три вида препрограмируеми постоянни ЗУ:

· EPROM (erasable programmable ROM) – ПЗУ с предварително изтриване. Преди да запишат нови данни този вид постоянни памети трябва да бъдат “изтрити”. Изтриването се разбира като принудително установяване на запомнящите елементи в състояние “0”. Това състояние се постига чрез продължително осветяване на кристала на интегралната схема с ултравиолетова светлина. За целта кристалът на интегралната схема е покрит с прозрачен материал. Изтриването се постига след продължително време на осветяване – във всички случаи повече от 10 минути.

· EEPROM (electrically erasable programmable ROM) – ПЗУ с електрическо изтриване. Разликите с предидущото ЗУ тук са съществени. Основният принцип за предварително изтриване е запазен, но той се прилага на ниво адресируема единица. Това означава, че може да бъде подменено съдържанието само на една отделна клетка. Нещо повече, изтриването тук като отделна операция не съществува, тъй като то е съвместено със записването на новите данни. В този смисъл операция запис може да се оприличи на аналогичната, изпълнявана в RAM-паметта. Характерното за записът е, че той е значително по-продължителен (над 100 пъти по-дълъг) от операция четене.

· FROM (flash ROM) – електрически препрограмируемо ПЗУ. Това запомнящо устройство до голяма степен може да се оприличи на RAM-памет. От него може да се чете и в него може да се записва електрически. Продължителността на двете операции до голяма степен е уеднаквена – при четене (35¸200[ns]), а при запис до 400[ns] – по съвременни данни. Единствената особеност в това отношение е, че изтриването не възможно на ниво адресируема единица, а е ограничено на ниво блок (или чип). Една от най-ценните характеристики на тези ЗУ е тяхната енергонезависимост. Това се постига чрез специална конструкция на запомнящия елемент – MOS транзистор с два гейта. Принципът, който позволява реализация на свойството паметливост, опростено може да се каже, че се дължи на способността на плаващия гейт да се наелектризира и да притежава (да съдържа в себе си) във времето натрупания заряд, без за това да е необходимо външно захранване. Поради малката площ, която заема върху кристала запомнящият елемент, съвременният обем на чиповете достига 10[GiB], а тенденциите за в бъдеще са той да нараства.

На този етап от нашия разказ искаме да предупредим читателя, че технологичната конструкция, принципната електрическа схема на запомнящия елемент и на запомнящата матрица, фирмените производствени различия и другите чисто технически особености, отнасящи се до същността на интегралните схеми, с които се изграждат запомнящите устройства, тук не са обект на нашето внимание. Такива ще бъдат представяни обобщено дотолкова доколкото се налага от самото изложение на основните конструктивни и организационни принципи, върху които се реализират различните видове памет.

Последния вид класификация който ще разгледаме е според метода за достъп. Става дума за логическата организация на достъп до дадена клетка с цел изпълнение в нея на основна операция. Според нашите цели тук можем да кажем, че това е най-важната класификация. Според логическата организация на достъпа запомнящите устройства се определят така:

· ЗУ с произволен достъп (адресируеми). Този метод за достъп изисква към ЗУ да се подава двоична комбинация, представляваща адреса на дадена клетка. В този смисъл е възможна всяка комбинация, т.е. достъп до всяка клетка, което дава името на ЗУ. Данните на основната операция съществуват по същото време, на (върху) отделна (даннова) шина. Тези ЗУ се характеризират с два вида шини. В тези ЗУ основната операция е винаги възможна. Към този вид ЗУ могат да бъдат отнесени разгледаните по-горе RAM и ROM памети.

· ЗУ с последователен достъп (магазинни). При изпълнение на основна операция в такива ЗУ не се подава адрес. Това е така, защото предварително е определена за достъп само една клетка. Тези ЗУ имат само даннова шина. В тези ЗУ основната операция не винаги е възможна.

· ЗУ с асоциативен достъп. В тези ЗУ основната операция (запис или четене) се осъществява в клетка, чието съдържание в най-голяма степен прилича на подаваната към ЗУ двоична комбинация. В този смисъл не е възможно предварително да се каже в коя точно клетка ще бъде изпълнена основната операция. Нещо повече, основната операция в тези ЗУ, е не винаги възможна.

Следващият раздел е:

§ 4.2 Логическа структура на адресируеми запомнящи устройства