АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Классификация и характеристики запоминающих устройств

Запоминающие устройства (ЗУ) - это совокупность аппаратных средств, предназначенных для записи, хранения и считывания информации.

Основой любого типа ЗУ является запоминающий элемент (ЗЭ), который имеет два устойчивых состояния, в качестве элемента памяти статического ЗУ используется триггер. Это сложнее чем конденсатор с транзисторным ключом, который используется в качестве ЗЭ в динамическом ЗУ.

Совокупность ЗЭ составляет ячейку ЗУ. Ячейка ЗУ - это группа ЗЭ, к которой одновременно обращаются при записи или считывании информации. Все ячейки ЗУ нумеруются, а обращения к самой ячейке производится по абсолютному адресу. Модуль ЗУ - создается из ячеек ЗУ с неповторяющимися адресами. Модули объединяется в блоки (банки). Как уже отмечалось, ЗУ состоит из физической среды и устройств управления.

Среди характеристик ЗУ можно выделить следующие.

  • 1. Разрядность (п) - обозначает число бит или ЗЭ, выделяемых одним абсолютным или физическим адресом, п = 8, 16, 32, 64.
  • 2. Емкость ЗУ (Е) - это предельное количество информации, размещаемая в ЗУ (бит, байт, слово, производные от этих единиц). Для DVD 4Гбайт...8Гбайт.
  • 3. Быстродействие - это время необходимое для поиска, записи или считывания данных по заданному адресу ячейки ЗУ. Быстродействие может измеряться как время обращения к данным:

Время Тобр обращения к строке и столбцу матрицы памяти (см. далее) определяется, в случае отсутствия дополнительных этапов (таких, например, как передача адреса за два такта), временем срабатывания схем дешифрации адреса и собственно временами записи или считывания данных.

С учётом многоуровневой организации памяти среднее время обращения Т0бР к системе памяти УУ в целом можно определить через частоты обращений к отдельным устройствам системы и времена обращений t06Pi к этим устройствам как:

где

fi - среднее количество обращений к /-му ЗУ в единицу времени.

Очевидно, что в этом случае Т0бР в значительной степени зависит от относительных частот обращения к различным ЗУ, а не только от времени обращения к ним. Для микросхем ОЗУ время обращения измеряется в нс, для НЖМД - в мс.

4. Надежность ЗУ - это количество циклов записи/считы-

вания информации, измеряется ^цжлов ЗП/сч =я*106.

5. Массогабаритные характеристики (линейные размеры в мм и вес в граммах) - зависит от вида устройства.

Рассмотрим классификацию ЗУ на рис. 3.1.

Классификация запоминающих устройств

Рис. 3.1 - Классификация запоминающих устройств

По приведённой классификации можно дать следующие пояснения :

  • 1. Функциональное назначение ЗУ предусматривает наличие:
    • - сверхоперативного запоминающего устройства, СОЗУ (Кэш-память) - физически входит в структуру МПр, обеспечивает хранение промежуточной или часто используемой информации;
    • - оперативного запоминающее устройство, ОЗУ - используется для хранения и обработки постоянно модифицированной информации;
    • -внешнего запоминающего устройства, ВЗУ - используется для постоянного хранения условно редко используемой информации (динамические программы, статистические данные);
    • - постоянного ЗУ, ПЗУ - используется для хранения и считывания редко изменяемой информации небольшого объема. В ПЗУ хранится информация для начальной загрузки ПО, программы первичной диагностики.
  • 2. Способ доступа к ячейкам ЗУ:
    • -произвольный доступ RAM (Random Access Memory) имеет СОЗУ, ОЗУ и ПЗУ;
    • -последовательный доступ - накопитель на магнитной ленте (НМЛ);
    • - циклический способ доступа - предусматривает наличие физической и логической разметки ЗУ. Поиск необходимых данных производится путем повторяющегося, т.е. циклического просмотра содержимого ЗУ. Примером реализации циклического доступа является НЖМД.
  • 3. Способ сохранения информации предусматривает наличие статического и динамического способа сохранения информации.

Статический способ означает, что при считывании из ячейки ЗУ данных, содержимое ячейки ЗУ не разрушается. Запоминающий элемент статического ЗУ может строиться на основе полупроводниковых структур металл-оксид SiCb-пол у проводник, МОП или комплементарной логика на транзисторах металл- окисел-полупроводник, КМОП (CMOS). Такие элементы имеют меньшую потребляемую мощность, меньшую стоимость, небольшие физические размеры. С другой стороны, биполярные интегральные микросхемы на основе транзисторно-транзисторной логики или эмиттерно-связанной логики обладают большей скоростью, чем МОП-элементы, но и увеличенным энергопотреблением. Кроме того, для реализации ЗЭ может использоваться конденсатор, выполненный с помощью полупроводниковых элементов.

Термин «статический» означает, что содержимое ЗЭ сохраняется при снижении напряжения электропитания микропроцессора до сколь угодно малых значений. Этот параметр называется «напряжение хранения информации» — USTANDBY и составляет обычно десятые доли вольта, что позволяет в случае необходимости перевести МПр на питание от автономного источника (батареи) и сохранить в этом режиме данные ОЗУ. В статических ЗУ (SRAM, Static Random Access Memory) в качестве элемента памяти используется RS-триггер, что, конечно, сложнее, чем конденсатор с транзисторным ключом, используемый в динамическом ЗУ. Для реализации ячейки памяти SRAM приходится использовать 6...8 транзисторных элементов. Статическая память позволяет достичь наибольшего быстродействия, обеспечивая время доступа к данным из памяти типа SRAM составляет 0,8 ... 2 нс, но ячейка памяти занимает достаточно большую площадь на кристалле микропроцессора. Такая память используется в кэшпамяти всех уровней.

Статическая память типа КМОП применяют для хранения конфигурационной информации компьютера при выключенном напряжении сети (в этой же микросхеме размещают и часы, отсчитывающие реальное время). Питание такой памяти осуществляется от небольшой батарейки, которая может служить несколько лет, но время доступа к информации на КМОП составляет 100 нс, поэтому такая память используется, в основном для хранения программ начального запуска и проверки конфигурации ЭВМ - базовой системы ввода-вывода (BIOS, basic input-out system) компьютера.

При динамическом способе при записи логической «1» в ячейку ЗУ конденсатор заряжается, при записи «О» условный конденсатор разряжается. При считывании конденсатор разряжается через соответствующую схему считывания и, если заряд был ненулевым, выставляет, но на выходе ЗУ появляется значение, соответствующее единичному. При отсутствии обращения к ЗУ со временем, за счет высоких токов утечки, конденсатор разряжается и информация теряется. Время, в течение которого информация сохраняется в ЗУ, составляет до нескольких десятков миллисекунд. Это приводит к необходимости периодического, не больше, чем время сохранения информации, восстановления зарядов емкостей конденсаторов с помощью сигнала ложной записи. Такая процедура и получила название регенерации {refresh) динамической памяти и позволяет подзарядить ячейки ЗВ. В динамической памяти для реализации ячейки памяти используется только один транзистор.

Время доступа к данным DRAM (dynamic random access memory) составляет 10.. 12 нсек. Благодаря относительной простоте ячейки ЗУ на одном кристалле удается размещать миллионы ячеек и получать самую дешевую полупроводниковую память достаточно высокого быстродействия с умеренным энергопотреблением, используемую в качестве основной памяти компьютера. Недостатком является некоторые сложности в управлении динамической памятью.

С точки зрения организации хранения информации физическая среда может рассматриваться как накопитель. Общая схема организации записи и считывания информации представлено на рисунке 3.2.

На схеме изображены

РА - регистр адреса;

Дешифратор адреса (ДША) где отдельно имеется - дешифратор строк и отдельно - дешифратор столбцов (схема выбора адреса, СВА);

ИШ - информационная шина (шина данных);

СЗСЧ - сигнал записи, сигнал считывания;

УАЗУ - управляющий автомат ЗУ (дешифратор команд);

Рсл - регистр слова данных (буферный регистр);

Уь У г, Уз - функциональные сигналы.

В процессе работы с запоминающим устройством на рис.

3.2 выполняются операции записи, хранения, считывания данных. Запись данных - процесс занесения информации в ЗУ для хранения. Хранение информации - процесс поддержания данных в неизменном состоянии после их записи, обеспечивающий возможность последующего считывания данных в произвольный момент времени. Считывание (или чтение) - процесс преобразования физического состояния запоминающей среды, отображающей хранимую информацию, в информационные сигналы стандартной формы. Эти информационные сигналы позволяют восстановить исходную информацию/сообщение, существовавшую на момент записи.

Схема организации записи и считывания информации

Рис. 3.2 - Схема организации записи и считывания информации

Схема на рис. 3.2 работает по следующей процедуре:

  • 1. Из процессора из АШ поступает адрес накопителя, по которому производится запись или считывание данных.
  • 57
  • 2. При записи в регистр слова (Рсл) по ИШ поступают данные.
  • 3. По ШУ в УАЗУ поступает сигнал записи или считывания.
  • 4. Формируются для записи сигналы yi+уг (ЗП) для считывания сигналы у1+уз(СЧ)
  • 5. СВ А определяет абсолютный или физический адрес ячейки накопителя для записи/считывания данных (номер/адрес строки и номер/адрес столбца)

При записи данные, из Рсл передаются в требуемую ячейку накопителя; при считывании данные из ячейки накопителя переносятся в Рсл, при следующем такте данные из Рсл передаются на шину данных. С учетом вышесказанного схемотехническое изображение микросхемы ЗУ RAM имеет вид:

Условное обозначение ЗУ

Рис. 3.3 - Условное обозначение ЗУ

Здесь сигналы управления от контроллера памяти подаются на специализированные входы. В динамических ОЗУ при мультиплексировании адресных входов используются два управляющих входа сигналов строба:

  • - RAS# (How Address Strobe - строб адреса строки);
  • - CAS# /Column Address Strobe— строб адреса столбца, или колонки).

Сигналы на этих входах переводятся в активное состояние (в «О» в тот момент, когда на адресных входах установлен адрес строки или адрес столбца соответственно.

Управление режимом обращения: чтение или запись осуществляется через специальный вход. Частым его обозначением является WE# (Write Enable - разрешение записи). Вход этот обычно инверсный (это и обозначает символ #), т.е. режим записи включается при нулевом значении сигнала на данном входе, а при единице на входе производится чтение.

В динамических оперативных ЗУ используется прием мультиплексирования адресных входов. Суть этого приёма состоит в поочередной подаче на одни и те же адресные входы микросхемы памяти МПр сначала старшей части (половины) адреса - адреса строки (Row Address), а затем - младшей части - адреса столбца (Column Address). Это позволяет уменьшить вдвое количество требующихся адресных входов, что улучшает схемотехнические решения, но увеличивает время обращения к памяти.

В статических ЗУ все разряды адреса подаются на адресные входы одновременно.

Количество входов данных DI (Data Input) отражает разрядность информационной шины и может быть равно разрядности хранимых слов в памяти. Количество выходов данных DO ( Data Output) также может быть равно разрядности хранимых слов. Во многих случаях входы и выходы данных объединяются, что позволяет уменьшить вдвое количество выводов данных у микросхем памяти, а также упростить их подключение к шинам данных.

Асинхронные динамические ОЗУ выполняют операции чтения и записи, получив лишь запускающий сигнал (обычно, сигнал строба адреса) независимо от каких-либо внешних синхронизирующих сигналов. В быстром страничном режиме FPM {Fast Page Mode) используется (пакетный) цикл обращений, где сначала задаётся адрес строки как первый адрес, а для всех последующих обращений задаётся только адрес столбца.

У синхронной памяти SDRAM присутствует синхросигнал CLK (Clock), по переднему фронту которого производятся все переключения в микросхеме. Кроме этого сигнала имеется также сигнал СКЕ (Clock Enable,).

Вариантом запуска регенерации является подача только одного сигнала RAS# без последующего CAS#. Такой вариант называется ROR (RAS Only Refresh), а адреса регенерируемых строк формируются контроллером памяти и подаются на адресные входы микросхемы.

Длина пакетов в SDRAM программируется, например, пакет длиной 4 цикла (всего 32 байта). Процедура доступа к данным считывания является продолжительной. Поэтому в современных МПр контроллер памяти интегрирован в кристалл центрального МПр. С учётом необходимости подзарядки процедура записи или чтения в SDRAM памяти выполняется в три этапа:

  • 1. Сначала при подаче сигнала RAS# происходит выбор нужной строки, или в терминах, принятых для этой памяти, выполняется команда активации банка.
  • 2. Затем выполняются требуемые операции записи или чтения и передачи данных.
  • 3. После записи или чтения строку, к которой выполнялось обращение, надо закрыть (выполнить подзаряд банка), иначе нельзя будет обратиться к новой строке этого же банка (вновь его активировать).

В памяти типа DDR (Double или Dual Data Rate), в которой за один такт осуществляются две передачи данных - по переднему и заднему фронтам каждого синхроимпульса. Для DDR SDRAM указывают скорость передачи данных, например, с учетом передачи за один раз 8 байтов данных скорость передачи (при двух передачах за такт) при частоте шины 133 МГц составит 2 х 133 х 8 = 2128 Мбайт/с.

Основные команды, выполняемые микросхемой DDR SDRAM следующие

  • - подзаряд одного банка;
  • - подзаряд всех банков;
  • - активация банка;
  • - запись;
  • - запись с автоподзарядом;
  • - чтение;
  • - чтение с автоподзарядом;
  • - завершение пакета;
  • - нет операции;
  • - снятие выборки устройства;
  • - вход в режим пониженного энергопотребления;
  • - выход из режима пониженного энергопотребления.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >