Файл: Tannenbaum.pdf

Память

173

Микросхема

памяти

512 Кх8

(4 Мбита)

1 1 1

CS  W E ОЕ

DO

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

АО »_
А1

 ^

А2 *-
A 3 »-

А 4  * •

А5 *-
А6

 *-

А 7

 *•

А8 •"

А9

 *-

А10 *-

RAS «-

CAS "

Микросхема

памяти

4096 Кх1

(4 Мбита)

ш

CS WE ОЕ

а

 б

Рис. 3.30.

 Два способа организации памяти объемом 4 Мбит

Сделаем небольшое замечание по поводу терминологии. На одних выводах

высокое напряжение вызывает какое-либо действие, на других — низкое напряже-

ние. Чтобы избежать путаницы, мы будем употреблять термин

 «установить сигнал»-,

когда вызывается какое-то действие, вместо того чтобы говорить, что напряжение

повышается или понижается. Таким образом, для одних выводов установка сигна-

ла значит установку на 1, а для других — установку на 0. Названия выводов, кото-

рые устанавливаются на 0, содержат сверху черту. Сигнал CS устанавливается на 1,
а сигнал CS — на 0. Противоположный термин — «сбросить».

А теперь вернемся к нашей микросхеме. Поскольку обычно компьютер содер-

жит много микросхем памяти, нужен сигнал для выбора необходимой микросхе-

мы, такой, чтобы нужная нам микросхема реагировала на вызов, а остальные нет.

Сигнал CS (Chip Select — выбор элемента памяти) используется именно для этой

цели. Он устанавливается, чтобы запустить микросхему. Кроме того, нужен спо-

соб отличия считывания от записи. Сигнал WE (Write Enable — разрешение запи-
си) используется для указания того, что данные должны записываться, а не счи-

тываться. Наконец, сигнал (Ж (Output Enable — разрешение выдачи выходных

сигналов) устанавливается для выдачи выходных сигналов. Когда этого сигнала
нет, выход отсоединен от остальной части схемы.

На рис. 3.30,

 б

 используется другая схема адресации. Микросхема представ-

ляет собой матрицу 2048x2048 однобитных ячеек, что составляет 4 Мбит. Чтобы

обратиться к микросхеме, сначала нужно выбрать строку. Для этого И-битный
номер этой строки подается на адресные выводы. Затем устанавливается сигнал

RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки). После этого на адресные выво-

ды подается номер столбца и устанавливается сигнал CAS (Column Address Strobe —

строб адреса столбца). Микросхема реагирует на сигнал, принимая или выдавая

1 бит данных.

1 7 4 Глава 3. Цифровой логический уровень

Большие микросхемы памяти часто производятся в виде матриц mxn, обраще-

ние к которым происходит по строке и столбцу. Такая организация памяти сокра-

щает число необходимых выводов, но, с другой стороны, замедляет обращение к
микросхеме, поскольку требуется два цикла адресации: один для строки, а другой

для столбца. Чтобы ускорить этот процесс, в некоторых микросхемах можно вы-

зывать адрес ряда, а затем несколько адресов столбцов для доступа к последова-
тельным битам ряда.

Много лет назад самые большие микросхемы памяти обычно были устроены

так, как показано на рис. 3.30,

 б.

 Поскольку слова выросли от 8 до 32 битов и выше,

использовать подобные микросхемы стало неудобно. Чтобы из микросхем 4096 Kxl
построить память с 32-битными словами, требуется 32 микросхемы, работающие
параллельно. Эти 32 микросхемы имеют общий объем, по крайней мере, 16 Мбайт.
Если использовать микросхемы 512 Кх8, то потребуется всего 4 микросхемы, но при

этом объем памяти будет составлять 2 Мбайт. Чтобы избежать наличия 32 микро-

схем, большинство производителей выпускают семейства микросхем с длиной
слов 1,4, 8 и 16 битов.

ОЗУ и ПЗУ

Все виды памяти, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одно общее свой-

ство: в них можно и записывать информацию, и считывать ее. Такая память назы-

вается

 ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).

 Существует два типа ОЗУ:

статическое и динамическое.

 Статическое ОЗУ

 конструируется с использовани-

ем D-триггеров. Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени,
пока к нему подается питание: секунды, минуты, часы и даже дни. Статическое

ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько нано-

секунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-па-

мяти второго уровня.

В динамическом ОЗУ,

 напротив, триггеры не используются. Динамическое

ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и

крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженны-
ми, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет
тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен

 обновляться

 (пе-

резаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку дан-

ных. Поскольку об обновлении должна заботиться внешняя логика, динамическое
ОЗУ требует более сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток

компенсируется большим объемом.

Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор

 и

 1 конденсатор на

бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), дина-
мическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микро-
схему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динами-
ческих ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа
занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе
статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в
себе преимущества обоих устройств.

Существует несколько типов динамических ОЗУ. Самый древний тип, кото-

рый все еще используется, —

 FPM (Fast Page Mode — быстрый постраничный

Память

 175

режим).

 Это ОЗУ представляет собой матрицу битов. Аппаратное обеспечение

представляет адрес строки, а затем — адреса столбцов (мы описывали этот процесс,
когда говорили об устройстве памяти, показанном на рис. 3.30,

 6).

FPM постепенно замещается

 EDO

1

 (Extended Data Output — память с расши-

ренными возможностями вывода),

 которая позволяет обращаться к памяти еще

до того, как закончилось предыдущее обращение. Такой конвейерный режим не

ускоряет доступ к памяти, но зато увеличивает пропускную способность, выдавая
больше слов в секунду.

И FPM, и EDO являются асинхронными. В отличие от них так называемое

 син-

хронное динамическое ОЗУ

 управляется одним синхронизирующим сигналом.

Данное устройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ.

Синхронное динамическое ОЗУ часто используется при производстве кэш-памя-

ти большого объема. Возможно, данная технология в будущем станет наиболее

предпочтительной и в изготовлении основной памяти.

ОЗУ — не единственный тип микросхем памяти. Во многих случаях данные

должны сохраняться, даже если питание отключено (например, если речь идет об

игрушках, различных приборах и машинах). Более того, после установки ни про-

граммы, ни данные не должны изменяться. Эти требования привели к появлению

ПЗУ (постоянных запоминающих устройств),

 которые не позволяют изменять и

стирать хранящуюся в них информацию (ни умышленно, ни случайно). Данные
записываются в ПЗУ в процессе производства. Для этого изготавливается трафарет
с определенным набором битов, который накладывается на фоточувствительный
материал, а затем открытые (или закрытые) части поверхности вытравливаются.

Единственный способ изменить программу в ПЗУ — поменять целую микросхему.

ПЗУ стоят гораздо дешевле ОЗУ, если заказывать их большими партиями, что-

бы оплатить расходы на изготовление трафарета. Однако они не допускают измене-
ний после выпуска с производства, а между подачей заказа на ПЗУ и его выполне-
нием может пройти несколько недель. Чтобы компаниям было проще разрабатывать

новые устройства, основанные на ПЗУ, были выпущены

 программируемые ПЗУ.

В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях эксплуата-
ции, что позволяет сократить время выполнения заказа. Многие программируе-
мые ПЗУ содержат массив крошечных плавких перемычек. Можно пережечь

определенную перемычку, если выбрать нужную строку и нужный столбец, а затем

приложить высокое напряжение к определенному выводу микросхемы.

Следующая разработка этой линии —

 стираемое программируемое ПЗУ,

 ко-

торое можно не только программировать в условиях эксплуатации, но и стирать
с него информацию. Если кварцевое окно в данном ПЗУ подвергать воздействию
сильного ультрафиолетового света в течение 15 минут, все биты установятся на 1.

Если нужно сделать много изменений во время одного этапа проектирования, сти-

раемые ПЗУ гораздо экономичнее, чем обычные программируемые ПЗУ, поскольку
их можно использовать многократно. Стираемые программируемые ПЗУ обычно

устроены так же, как статические ОЗУ. Например, микросхема 27С040 имеет
структуру, которая показана на рис. 3.30, а, а такая структура типична для стати-
ческого ОЗУ.

Динамическая память типа EDO вытеснила обычную динамическую память, работающую в режиме

FPM, в середине 90-х годов. —

 Примеч. научи, ред.

176

Глава 3. Цифровой логический уровень

Следующий этап — электронно-перепрограммируемое

 ПЗУ,

 с которого мож-

но стирать информацию, прилагая к нему импульсы, и которое не нужно для этого
помещать в специальную камеру, чтобы подвергнуть воздействию ультрафиоле-

товых лучей. Кроме того, чтобы перепрограммировать данное устройство, его не
нужно вставлять в специальный аппарат для программирования, в отличие от сти-
раемого программируемого ПЗУ, Но с другой стороны, самые большие электрон-

но-перепрограммируемые ПЗУ в 64 раза меньше обычных стираемых ПЗУ, и ра-

ботают они в два раза медленнее. Электронно-перепрограммируемые ПЗУ не могут

конкурировать с динамическими и статическими ОЗУ, поскольку они работают
в 10 раз медленнее, их емкость в 100 раз меньше и они стоят гораздо дороже. Они
используются только в тех ситуациях, когда необходимо сохранение информации
при выключении питания.

Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ —

 флэш-па-

мять.

 В отличие от стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультра-

фиолетовых лучей, и от электронно-программируемого ПЗУ, которое стирается
по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками. Как и любое элект-

ронно-перепрограммируемое ПЗУ, флэш-память можно стирать, не вынимая ее

из микросхемы. Многие изготовители производят небольшие печатные платы, со-

держащие десятки мегабайтов флэш-памяти. Они используются для хранения изоб-
ражений в цифровых камерах и для других целей. Возможно, когда-нибудь флэш-
память вытеснит диски, что будет грандиозным шагом вперед, учитывая время
доступа в 100 не. Основной технической проблемой в данный момент является то,

что флэш-память изнашивается после 10 000 стираний, а диски могут служить го-
дами независимо от того, сколько раз они перезаписывались. Краткое описание

различных типов памяти дано в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

 Характеристики различных видов памяти

Тип запо-
минающего
устройства

Статическое

ОЗУ (SRAM)

Динамическое

ОЗУ(DRAM)
ПЗУ (ROM)

Програм-

мируемое

ПЗУ (PROM)
Стираемое
програм-
мируемое

n3Y(EPROM)
Электронно-
перепрограм-
мируемое ПЗУ
(EEPROM)

Флэш-память

(Flash)

Категория

Чтение/

запись

Чтение/
запись

Только
чтение
Только
чтение

Преиму-
щественно

чтение

Преиму-

щественно
чтение

Чтение/
запись

Стирание
записи

Электрическое

Электрическое

Невозможно

Невозможно

Ультра-
фиолетовый
свет

Электрическое

Электрическое

Изменение

информации
по байтам

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Да

Нет

Энерго-

зависи-

мость

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Нет

Нет

Применение

Кэш-память

второго уровня
Основная память

Устройства

большого размера
Устройства
небольшого
размера

Моделирование

устройств

Моделирование

устройств

Цифровые камеры

Микросхемы процессоров и шины 177

Микросхемы процессоров и шины

Поскольку нам уже известна некоторая информация о МИС, СИС и микросхе-

мах памяти, то мы можем сложить все составные части вместе и изучать целые

системы. В этом разделе сначала мы рассмотрим процессоры на цифровом ло-

гическом уровне, включая цоколевку (то есть значение сигналов на различных
выводах). Поскольку центральные процессоры тесно связаны с шинами, которые

они используют, мы также кратко изложим основные принципы разработки шин.

В следующих разделах мы подробно опишем примеры центральных процессоров
и шин для них.

Микросхемы процессоров

Все современные процессоры помещаются на одной микросхеме. Это делает впол-
не определенным их взаимодействие с остальными частями системы. Каждая мик-
росхема процессора содержит набор выводов, через которые происходит обмен

информацией с внешним миром. Одни выводы передают сигналы от централь-

ного процессора, другие принимают сигналы от других компонентов, третьи дела-

ют и то и другое. Изучив функции всех выводов, мы сможем узнать, как процессор
взаимодействует с памятью и устройствами ввода-вывода на цифровом логичес-

ком уровне.

Выводы микросхемы центрального процессора можно подразделить на три типа:

адресные, информационные и управляющие. Эти выводы связаны с соответству-
ющими выводами на микросхемах памяти и микросхемах устройств ввода-вывода
через набор параллельных проводов (так называемую шину). Чтобы вызвать ко-
манду, центральный процессор сначала посылает в память адрес этой команды по

адресным выводам. Затем он запускает одну или несколько линий управления,

чтобы сообщить памяти, что ему нужно, например, прочитать слово. Память выда-

ет ответ, помещая требуемое слово на информационные выводы процессора и по-
сылая сигнал о том, что это сделано. Когда центральный процессор получает дан-
ный сигнал, он принимает слово и выполняет вызванную команду.

Команда может требовать чтения или записи слов, содержащих данные. В этом

случае весь процесс повторяется для каждого дополнительного слова. Как проис-
ходит процесс чтения и записи, мы подробно рассмотрим ниже. Важно понимать,
что центральный процессор обменивается информацией с памятью и устройства-
ми ввода-вывода, подавая сигналы на выводы и принимая сигналы на входы. Дру-

гого способа обмена информацией не существует.

Число адресных выводов и число информационных выводов — два ключевых

параметра, которые определяют производительность процессора. Микросхема,
содержащая m адресных выводов, может обращаться к

 2

т

 ячейкам памяти. Обыч-

но m равно 16, 20, 32 или 64. Микросхема, содержащая п информационных выво-

дов, может считывать или записывать n-битное слово за одну операцию. Обычно п

равно 8,16,32,36 или 64. Центральному процессору с 8 информационными выво-
дами понадобится 4 операции, чтобы считать 32-битное слово, тогда как процес-
сор, имеющий 32 информационных вывода, может сделать ту же работу в одну