Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

154
Глава 5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА БОРТОВЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНМ
5.1 Устройства памяти БЦВМ
5.1.1 Назначение, основные характеристики и классификация запоминающих устройств
Запоминающее устройство (ЗУ) - часть вычислительной маши- ны, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации - команд программы, исходных данных, промежуточных и конечных результатов, представленных в виде кодов.
Основными характеристиками ЗУ являются емкость и быстро- действие.
Под емкостью понимают максимальное количество кодов (ма- шинных слов), которое одновременно может храниться в ЗУ. Каждый код размещается в одной ячейке памяти. Если емкость памяти оцени- вать в битах, то она равна произведению числа ячеек памяти на их длину (разрядность):
Q
N n
= ⋅
, где Q - емкость в битах; N - количество ячеек ; n - разрядность ячеек.
Быстродействие характеризуется временем обращения к ЗУ, не- обходимым для записи или чтения информации. При чтении инфор- мации время обращения складывается из времени
П
t поиска соответ- ствующей ячейки, времени
СЧ
t
считывания и времени
В
t восстанов- ления (в случае необходимости)
ЧТ
П
СЧ
В
Т
t
t
t
= +
+
При записи время обращения определяется временем поиска, временем
СТ
t стирания ранее записанной информации и временем
З
t записи:
ЗП
П
СТ
З
Т
t
t
t
= +
+
Практически
Ч Т
З П
T
T
≈
Кроме рассмотренных основных характеристик, важными пока- зателями качества ЗУ являются: надежность – способность ЗУ сохранять свои параметры в за- данных пределах при различных условиях эксплуатации; экономичность – стоимость ЗУ, отнесенная к его емкости; габариты и потребляемая мощность.

155
Одновременное увеличение емкости ЗУ, уменьшение его стои- мости и увеличение быстродействия не возможно, так как эти харак- теристики связны между собой прямой или обратной зависимостью.
Так чем больше емкость памяти, то, следовательно, и больше время поиска данных. Требования к емкости и быстродействию памяти яв- ляются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем техниче- ски труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости па- мяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стои- мости ЦВМ. Поэтому память организуется в виде иерархической структуры запоминающих устройств, обладающих различными быст- родействием и емкостью.
По своему функциональному назначению все ЗУ, используемые в БВМ, можно разделить на следующие группы: сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) — представляющие собой набор регистров, содержимое которых непосредственно используется при обработке информации в процессоре; оперативные ЗУ (ОЗУ) — хранящие оперативную информацию
(операнды, части программы, требующиеся в процессе работы); постоянные ЗУ (ПЗУ) — предназначенные для длительного хра- нения неизменяемой в процессе работы БВМ информации (программ, микропрограмм, констант); полупостоянные (репрограммируемые) ЗУ (РПЗУ) — по выпол- няемым функциям полностью соответствуют постоянным ЗУ, но от- личаются от последних возможностью относительно быстрой смены одновременно всей хранимой в них информации; внешние ЗУ (ВЗУ) — предназначенные для хранения больших объемов информации с небольшой удельной стоимостью бита храни- мой информации. ВЗУ находятся вне корпуса БВМ. Размещение на борту истребителя ВЗУ нa магнитных дисках, лентах и барабанах, в настоящее время затруднено в связи с тяжелыми условиями функ- ционирования. Поэтому ВЗУ обычно используются при проведении наземных операций, связанных с контролем работоспособности и ди- агностикой БВМ и всего радиоэлектронного комплекса в целом.
Запоминающие устройства могут быть реализованы на основе только БИС ОЗУ. Однако потеря информации при отключении пита- ния, более высокая удельная стоимость бита хранимой информации, и ряд других причин привели к широкому использованию постоянных и полупостоянных ЗУ.

156
По способу организации обмена информацией между отдельны- ми ЗУ и процессорами различают ЗУ: с произвольной выборкой
(ЗУПВ); с последовательным обращением (ЗУПО) и с последователь- но-параллельной организацией обмена.
Подавляющая часть ЗУ БВМ — это ЗУ с произвольной выбор- кой (или с произвольным доступом). Если память не обеспечивает произвольного доступа к любой её части, то это память с последова- тельным доступом, она редко используется в качестве основной па- мяти БВМ. При работе с такой памятью для обращения к нужной об- ласти необходимо предварительно обратиться ко всем областям, ле- жащим между той, к которой произошло обращение в данный мо- мент, и требуемой областью. В последовательной форме хранится информация на магнитной ленте. Последовательный доступ приме- няют для запоминания значительных объемов данных, время обраще- ния к которым не является критичным.
Одна из характеристик ЗУ — способность сохранять информа- цию при отключении источников питания. В этом случае различают энергозависимую или энергонезависимую память. В энергонезависи- мой памяти при нарушениях в работе системы питания данные не разрушаются, а в энергозависимой — разрушается.
Для современных БВМ наиболее характерно использование опе- ративных запоминающих устройств на униполярных МОП- транзисторах.
В некоторых микропроцессорных БВМ находят применение еще два вида полупроводниковой памяти: на приборах с зарядовой связью
(ППЗС) и на цилиндрических магнитных доменах (ПЦМД). Оба типа памяти ориентированы на последовательный доступ. Как и другие устройства последовательного доступа, они имеют невысокое быст- родействие, однако позволяют реализовать запоминающие устройст- ва значительно большего объема, чем устройства памяти на биполяр- ных и МОП-транзисторах.
Достоинства ППЗС — чрезвычайно малое потребление мощно- сти, простота в применении. Память на ППЗС энергозависима, но ма- лая потребляемая мощность делает возможным сохранение в ней ин- формации с помощью резервных аккумуляторов при отказе на дли- тельное время основного источника питания
Для ПЦМД требуется гораздо большее число вспомогательных схем, чем для ППЗС, но она является энергонезависимой.

157
Таким образом, этот тип памяти позволяет реализовать энерго- независимые запоминающие устройства большого объема, для кото- рых не требуются сложные механические лентопротяжные механиз- мы и дисководы.
5.1.2 Оперативные запоминающие устройства
Оперативная память относится к памяти с произвольным досту- пом (Random access memory – RAM). По принципу хранения инфор- мации полупроводниковые оперативные ЗУ делятся на динамические и статические.

158
В процессе записи информации от РЛз (при разрешающем сиг- нале на АЛз) через открытый транзистор VT2 обеспечивается заряд емкости С3. Считывание информации производится по линии РЛсч через VT1 и VT3 (при разрешающем сигнале АЛсч).
Регенерация (восстановление данных) ячейки динамической па- мяти производится при каждом обращении к ней. Однако при обыч- ной интенсивности работы памяти БВМ такая регенерация не гаран- тирует сохранности всех хранящихся в ней битов информации. БВМ может, например, затратить время, превышающее несколько милли- секунд, на выполнение простого цикла, предназначенного для выра- ботки временной задержки, и использовать при этом лишь несколько ячеек памяти. В течение всего этого промежутка времени все другие слова памяти не будут подвергаться регенерации. Поэтому устройст- ва памяти, выполненные на динамических ЗУ, нуждаются в логиче- ской схеме регенерации, которая автоматически обращается к каждо- му столбцу памяти с интервалами в несколько десятых долей милли- секунды. Динамическое ЗУ построено так, что само обращение к столбцу обеспечивает регенерацию информации во всех его ячейках.
Работа логической схемы регенерации должна координироваться с другими действиями процессора. Если, например, процессор пытает- ся обратиться к памяти в момент, когда в ней осуществляется регене- рация, то схема регенерации должна отдать приоритет именно про- цессору.
Динамические полупроводниковые ЗУ с произвольной выбор- кой имеют высокий уровень интеграции и быстродействия, низкую стоимость, поэтому находят широкое применение в микропроцессор- ных системах. На динамических БИС ЗУ, являющихся функциональ- но законченными устройствами, можно сравнительно просто строить
ОЗУ различной информационной емкости.
Недостаток динамических ЗУ — необходимость регенерации — компенсируется большей, чем в статических ЗУ, информационной емкостью.
Статические ЗУ (SRAM) являются наиболее распространенным видом памяти микропроцессорных систем. Большинство статических
ЗУ реализуется на основе МОП-технологии, но существуют и стати- ческие ЗУ на биполярных схемах.
Ячейка памяти статического ЗУ представляет собой обычный

159 триггер. Он может быть установлен либо в состояние «0», либо в со- стояние «1». Если триггер установлен в «1», то это состояние сохра- няется до тех пор, пока не будет произведен сброс триггера или не будет выключено питание.
Каждый триггер хранит один бит информации. Триггеры имеют раздельные входы для установки их в состояние «0» или «1», а также вентили для соединения их с линией шины данных. Каждая ячейка памяти обычно содержит шесть МОП-транзисторов (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 - Ячейка памяти статического ОЗУ
При обращении к ячейке как к элементу памяти на линии выбора устанавливается сигнал высокого уровня. Транзисторы V5 и V6 включаются, а линия чтения-записи (ЧТ/ЗП) подключается к затвору.
Для записи лог. «1» в этот элемент на линии ЧТ/ЗП устанавливается высокий уровень, а на линии «Установка 0» — низкий уровень сигна- ла. При этом V2 отпирается, a V1 запирается. При записи лог. «0» уровни сигналов на линиях ЧТ/ЗП и «Установка 0» изменяются на противоположные. После окончания сигналов установки состояние транзисторов V1 и V2 не изменяются. Комбинацией уровней сигна- лов в линиях ЧТ/ЗП и «Установка 0» обеспечиваются три состояния ячейки памяти: запись, чтение и хранение информации.
Подобные ячейки памяти объединяются в матричную структуру, т. е. размещаются по строкам и столбцам. Каждому элементу памяти

160 присваивается адрес, являющийся n-разрядным двоичным кодом. Ко- личество разрядов двоичного кода определяет емкость матрицы ЗУ и определяется как
2
n
Q
=
, где n — разрядность адресного кода.
Разряды адресного кода разбиваются на две группы: разряды ад- ресов строк и разряды адресов столбцов. Каждая группа разрядов подключается на вход соответствующих дешифраторов, выходы ко- торых обеспечивают обращение к ячейке памяти с указанным адре- сом строки и адресом столбца.
На рисунке 5.3 изображена структура микросхемы ОЗУ с раз- дельными одноразрядными входами и выходами.
Рисунок 5.3 - Структура ИС ОЗУ
В микросхеме используются усилители адресных сигналов и дешифраторы адресов 5
→
32, что позволяет адресоваться к 1024 од- норазрядным ячейкам памяти. Для обращения к ИС ОЗУ использует- ся сигнал низкого уровня выборки микросхемы (ВМ) и сигнал управ- ления ЧТ/ЗП. Бит информации, подлежащий записи, подается на вы- вод «Вход» блока управления (БУ), а при чтении сигнал «ЧТ» считы- вается с выходной линии.
Структура рассмотренной ИС 1024х1 бит. В настоящее время промышленность выпускает ИС памяти емкостью десятки и сотни мегабайт. В практическом применении более удобны ИС памяти с разрядностью, равной (или кратной) разрядности процессора.

161
В этом случае при однократном обращении к ИС памяти обеспе- чивается обмен словами, которые обрабатываются в процессоре.
Типичные БИС динамического ОЗУ: КР565РУ6 — емкость
16384х1 бит; К565РУ5 - емкость 65535х1 бит.
Типичные БИС статического ОЗУ: КР537РУ14 — емкость
4096х1 бит, КР132РУ6А — емкость 16 384х1 бит, К537РУ9 — ем- кость 2 048х8 бит.
5.1.3 Постоянные запоминающие устройства
Постоянные запоминающиеся устройства (ПЗУ) служат для хранения программ и другой неизменяемой информации, поэтому выполняют только операцию чтения (Read only memory – ROM).
Важное преимущество ПЗУ по сравнению с ОЗУ — сохранение ин- формации при выключении питания. Стоимость бита хранимой в ПЗУ информации может быть почти на порядок ниже, чем в ОЗУ. Посто- янные ЗУ могут быть реализованы на основе различных физических принципов и элементов и отличаются способом занесения информа- ции, кратностью занесения, способом стирания.
В качестве примера на рисунке 5.4, а приведена схема однотран- зисторной ячейки постоянного ЗУ на биполярном транзисторе. В эмиттерной цепи транзистора предусмотрена плавкая перемычка, ко- торая в необходимых случаях может разрушаться при программиро- вании ЗУ. Поэтому при обращении к ЗУ по линии адреса x в случае неразрушенной перемычки в регистровой линии y будет протекать эмиттерный ток транзистора, (состояние лог. «1»), а в случае разру- шенной перемычки ток течь не будет (состояние лог. «0»).
В настоящее время применяются следующие виду ПЗУ: про- граммируемые на заводе-изготовителе или масочные ПЗУ (МПЗУ); программируемые пользователем ПЗУ и перепрограммируемые (ре- программируемые) РПЗУ. Первые два вида ПЗУ допускают только однократное программирование, репрограммируемые ПЗУ позволяют изменять хранимую в нем информацию многократно.
Рассмотрим подробнее каждый из типов ПЗУ.
Программируемые масочные ПЗУ (МПЗУ) — программируются их изготовителем, который по подготовленной пользователем ин- формации делает фотошаблоны, с помощью которых заносит эту ин- формацию в процессе производства на кристалл ПЗУ. Этот способ

162 самый дешевый и предназначен для крупносерийного производства
ПЗУ. Масочные ПЗУ строятся на основе диодов, биполярных и МОП- транзисторов.
Рисунок 5.4 - Реализация ячеек памяти ПЗУ
В диодных ПЗУ диоды включены в тех пересечениях матрицы, которые соответствуют записи «1», и отсутствуют в местах, где дол- жен быть записан «0». Внешние цепи очень просты. Так как диодная матрица представляет собой элемент с гальваническими связями, то выходные сигналы имеют ту же форму, что и входные. Таким обра- зом, если на входы подаются напряжения постоянных уровней, то и на выходах уровни будут также постоянными, поэтому отпадает не- обходимость в выходном регистре для хранения информации. Масоч- ные ПЗУ на биполярных и униполярных транзисторах также строятся в виде матриц. Постоянные ЗУ на МОП-транзисторах имеют меньшее энергопотребление, чем биполярные.
Масочные ПЗУ характеризуются высокой надежностью, но при их изготовлении возникает ряд неудобств и для заказчика, и для изго- товителя. Велика номенклатура ПЗУ и мала их тиражность, поэтому от изготовителя требуются повышенные затраты на фотошаблоны, что увеличивает стоимость ПЗУ. Отсутствует возможность оператив- но изменять информацию в ПЗУ без изготовления новой ИС, что осо- бенно неудобно на этапе отработки программ системы.
Программируемые пользователем ПЗУ (ППЗУ) — являются бо- лее универсальными и, следовательно, более дорогими приборами.
Они представляют собой матрицы биполярных приборов, связи кото- рых с адресными и разрядными шинами разрушаются при занесении