Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

163 на специальных программирующих устройствах соответствующих кодовых комбинаций. Эти устройства вырабатывают напряжения, не- обходимые и достаточные для пережигания плавких перемычек в вы- бранных запоминающих элементах ПЗУ. Роль плавкой перемычки может выполнять диод Д1, как показано на рисунке 5.4, б. Возмож- ность однократного программирования пользователем сделала ПЗУ этого типа чрезвычайно удобными при разработке микро-ЭВМ.
Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) — это ПЗУ с изменяемым со- держанием, на затворах матрицы МОП-транзисторов длительное время могут храниться заряды, образующие заданный код. Все репро- граммируемые ПЗУ представляют собой МОП-приборы.
При необходимости в перепрограммировании микросхемы предварительно записанную информацию стирают ультрафиолето- вым светом через прозрачное кварцевое окошко на поверхности кор- пуса микросхемы. Попадая на плавающий затвор и выбивая из него фотоэлектроны, ультрафиолетовое излучение разряжает плавающий затвор МОП-транзистора. Время сохранения информации в микро- схемах ПЗУ данного типа определяется качеством призатворного ди- электрика и для современных микросхем составляет десять лет и бо- лее.
Микросхемы ПЗУ с электрическим стиранием информации по- пулярны у разработчиков микропроцессорной техники благодаря возможности быстрого стирания и записи, большому допустимому числу циклов перезаписи информации (10000 раз и более). Однако они достаточно дорогие и сложные по сравнению с ПЗУ с ультрафио- летовым стиранием, поэтому уступают последним по степени исполь- зования в микропроцессорной аппаратуре.
Основу запоминающей ячейки в ПЗУ с электрическим стирани- ем составляет МОП-транзистор с плавающим затвором, такой же, как и в ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Но в микросхемах данного типа технологическими методами обеспечена возможность обратного туннелирования, т. е. отбора электронов с плавающего затвора, что позволяет выборочно стирать занесенную информацию. На рисунке
5.4, в представлена ячейка РПЗУ в виде лавинно-инжекционного
МОП-транзистора с плавающим и селектирующим затворами. Инте- гральные ПЗУ на таких элементах допускают многократную замену хранимой информации. Плавающий (изолированный) затвор не имеет электрического подвода, он предназначен для хранения заряда.

164
Селектирующий затвор подсоединен к одному из выходов дешифра- тора строк (горизонтальной шине), а сток - к вертикальной шине. В исходном состоянии отсутствует заряд на плавающем затворе (со- стояние 1), транзистор имеет очень небольшое пороговое напряже- ние. Выбор элемента осуществляется путем подачи на селектирую- щий затвор выходного напряжения адресного дешифратора, при этом включается транзистор и через цепь сток-исток протекает значитель- ный ток. Программирование (занесение лог. 0 в элементы) произво- дится электрическим путем - подачей на сток импульса напряжения
25...50 В. При этом происходит инжекция электронов, имеющих вы- сокую энергию, через оксид на изолированный затвор, получающий отрицательный заряд (состояние «0»). В результате увеличивается пороговое напряжение, и теперь подача на селектирующий затвор выходного напряжения дешифратора не включает этот транзистор.
Сообщенное элементу состояние сохраняется сколь угодно долго.
Для стирания информации, записанной в РПЗУ подается напряжение
25…50 В, но с обратной полярностью включения. При этом происхо- дит рассасывание электронов с плавающего затвора.
5.1.4 Внешние запоминающие устройства
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) — это устройства большого объема (сотни миллионов байт и более), предназначенные для длительного хранения данных, создания архива данных (в том числе и на съемных носителях) и обмена этими данными с оператив- ными запоминающими устройствами БВМ. В общем случае ВЗУ со- стоит из накопителя и контролера.
Накопителем ВЗУ называется часть ВЗУ, непосредственно при- нимающая информацию, преобразующая ее (при необходимости) в форму, удобную для хранения, осуществляющая хранение этой ин- формации и преобразование в электрические сигналы при считыва- нии. Накопитель ВЗУ состоит из устройства преобразования инфор- мации, механизма (привода) и носителя информации.
Устройство преобразования информации включает усилители записи и считывания, магнитные головки (для магнитных ВЗУ) и дру- гие средства, необходимые для прямого и обратного преобразования цифровых кодов в форму, удобную для хранения. Механизм (привод) обеспечивает перемещение носителя информации относительно орга- нов записи и считывания.

165
Носителем информации является изделие, осуществляющее не- посредственное хранение информации на основе определенных фи- зических явлений. Носители информации — лента, диск, барабан, фо- топленка, голограмма и т.п.
Контроллером ВЗУ называется устройство, обеспечивающее управление работой накопителя и сопряжение с интерфейсом БВМ.
Специфика ВЗУ заключается в его накопителе. Типичными на- копителями ВЗУ являются: накопитель на магнитной ленте (НМЛ); накопитель на магнитных дисках (НМД); накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД); накопитель на магнитных картах (НМК); накопитель на цилиндрических магнитных доменах (НЦМД).
5.1.5 Способы организации памяти
Запоминающее устройство предназначено для хранения боль- ших объемов двоичных данных, поэтому оно содержит множество одинаковых запоминающих элементов, образующих запоминающий массив (ЗМ). Массив разделен на отдельные ячейки, каждая из кото- рых предназначена для хранения двоичного кода, количество разря- дов в котором определяется шириной выборки памяти (в частности, это может быть одно, половина или несколько машинных слов).
Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую памяти.
Адресная память. В памяти с адресной организацией размеще- ние и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения слова (числа, команды и т.п.), которым служит номер ячей- ки ЗМ, где размещено это слово.
При записи (или считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указать адрес (номер ячейки), по которому производится запись.
Типичная структура адресной памяти, показанная на рисунке
5.5, содержит запоминающий массив из N х п -разрядных ячеек и его аппаратное обрамление, включающее регистр адреса РгА, информа- ционный регистр РгИ, блок адресной выборки (БАВ) с дешифратором адреса ДшА, блок усилителей считывания (БУС), блок разрядных

166 усилителей - формирователей сигналов записи (БУЗ) и блок управле- ния памятью (БУП).
Разрядность регистра адреса определяется выражением
(
)
2
int log
R
N
≥
По коду адреса в РгА БАВ формирует в соответствующей ячей- ке памяти сигналы, позволяющие произвести в ячейке считывание или запись слова.
Цикл обращения к памяти инициируется поступлением в БУП извне сигнала "Обращение". Общая часть цикла обращения включает прием в РгА с шины адреса (ША) адреса нужной ячейки и прием в
БУП и расшифровку управляющего сигнала "Операция", указываю- щего вид запрашиваемой операции (считывание или запись).
Рисунок 5.5- Структура адресной памяти
Далее при считывании БАВ дешифрирует адрес, посылает сиг- налы считывания в заданную адресом ячейку ЗМ. При этом код запи- санного в ячейке слова считывается усилителями считывания БУС и передается в РгИ.

167
Затем, в случае памяти с разрушающим считыванием (при счи- тывании запоминающие элементы ячейки устанавливаются в нулевое состояние), производится регенерация информации в ячейке путем записи в нее из РгИ считанного слова. Операция считывания завер- шается выдачей слова из РгИ на выходную информационную шину
ШИВых.
При записи после выполнения указанной выше общей части цикла обращения производится прием записываемого слова с вход- ной информационной шины ШИВх в РгК. Сама запись состоит из двух операций: очистки ячейки (сброса в 0) и собственно записи. Для этого БАВ сначала производит выборку и очистку ячейки, заданной адресом в РгА. Очистка выполняется сигналами считывания слова в ячейке, но при этом блокируются усилители считывания, и из БУС в
РгИ информация не поступает. Затем в выбранную БАВ ячейку запи- сывается слово из РгИ.
Блок управления БУП генерирует необходимые последователь- ности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных уз- лов памяти.
Ассоциативная память. В памяти этого типа поиск нужной ин- формации производится не по адресу, а по ее содержанию (по ассо- циативному признаку). При этом поиск по ассоциативному признаку
(или последовательно по отдельным разрядам этого признака) проис- ходит параллельно во времени для всех ячеек запоминающего масси- ва. Во многих случаях ассоциативный поиск позволяет существенно упростить и ускорить обработку данных. Это достигается за счет то- го, что в памяти этого типа операция считывания информации со- вмещена с выполнением ряда логических операций.
Типичная структура ассоциативной памяти представлена на ри- сунке 5.6. Запоминающий массив содержит
(
1)
N
n
× +
- разрядных ячеек. Для указания занятости ячейки используется служебный п -й разряд (0 - ячейка свободна, 1 - в ячейке записано слово).
По входной информационной шине ШИBx на регистр ассоциа- тивного признака РгАП в разряды 0…(п-1) поступает п -разрядный ассоциативный запрос, а на регистр маски РгМ - код маски поиска, при этом п -й разряд РгМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокупности разрядов PrAП, которым соот- ветствуют 1 в РгМ (незамаскированные разряды РгАП).

168
Для слов, в которых цифры в разрядах совпали с незамаскиро- ванными разрядами РгАП, комбинационная схема (КС) устанавлива- ет 1 в соответствующие разряды регистра совпадения РгСв и 0 в ос- тальные разряды. Таким образом, значение i -го разряда РгСв опре- деляется выражением
[ ]
[ ]
[ ]
{
}
1
( )
,
0
i
n
РгСв
j
PгАП i
ЗМ
j i
PгМ i
i
= −
=
∧
⊕
∨
=
,
0 1
j
N
≤ ≤ −
, где РгАП[i] , РгМ [i] и ЗМ [j,i] - значения i -го разряда соот- ветственно РгАП, РгМ и j -й ячейки ЗМ.
Комбинационная схема формирования результата ассоциатив- ного обращения (ФС) формирует из слова, образовавшегося в РгСв, сигналы
0 1
2
,
,
α α α
, соответствующие случаям отсутствия слов в ЗМ, удовлетворяющих ассоциативному признаку, наличию одного и на- личию более чем одного такого слова.
Рисунок 5.6 - Структура ассоциативной памяти

169
Для этого КС реализует следующие булевы функции:
[ ]
0 1
0
N
РгСв
j
j
α
−
= ∧
=
;
[ ]
[ ]
[ ]
[
]
[ ]
[ ]
[ ]
[
]
[ ]
[ ]
[ ]
[
]
1 0
1 1
0 1
1 0
1 1 ;
РгСв
РгСв
РгСв
j
РгСв
N
РгСв
РгСв
РгСв
j
РгСв
N
РгСв
РгСв
РгСв
j
РгСв
N
α
=
⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
− ∨
∨
⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
− ∨
∨
⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
−
…
…
…
…
…
…
…
2 1
2
α α α
= ⋅
Формирование содержимого РгСв и сигналов
0 1
2
,
,
α α α
по со- держимому РгАП, РгМ и ЗМ называется операцией контроля ассо- циации. Эта операция является составной честью операций считыва- ния и записи, хотя она имеет и самостоятельное значение.
При считывании сначала производится контроль ассоциации по ассоциативному признаку в РгАП. Затем при
0 1
α
=
считывание от- меняется из-за отсутствия искомой информации, при
1 1
α
=
считыва- ется в РгИ найденное слово, при
2 1
α
=
в РгИ считывается слово из ячейки, имеющей наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 в
РгСв. Из РгИ считанное слово выдается на выходную шину ШИВых.
При записи сначала отыскивается свободная ячейка. Для этого выполняется операция контроля ассоциации при РгАП=111…10 и
РгМ=000...01. При этом свободные ячейки отмечаются 1 в РгСв. Для записи выбирается свободная ячейка с наименьшим номером. В неё записывается слово, поступившее с ШИBx в РгИ.
Посредством операции контроля ассоциации можно, не считы- вая слов из памяти, определить по содержимому РгСв, сколько в па- мяти слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку, например, реализовать запросы типа: сколько курсантов в группе имеют отлич- ную оценку по данной дисциплине. При использовании соответст- вующих комбинационных схем в ассоциативной памяти могут вы- полняться достаточно сложные логические операции, такие как поиск большего (меньшего) числа, поиск слов, заключенных в определен- ных границах и др.
Отметим, что для ассоциативной памяти необходимы запоми- нающие элементы, допускающие считывание без разрушения запи-

170 санной в них информации. Это связано с тем, что при ассоциативном поиске считывание производится по всему ЗМ для всех незамаскиро- ванных разрядов и негде сохранять временно разрушаемую считыва- нием информацию.
Стековая
память. Стековая память, также как и ассоциативная, является безадресной. Стековая память делится на два вида: FIFO – первым пришел, первым вышел и FILO – первым пришел и послед- ним вышел. В стековой памяти FIFO (рисунок 5.7,а) ячейки образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с дру- гом разрядными цепями передачи слов. Стек заполняется с одной стороны, при этом слова записываются в свободные ячейки с после- довательными номерами, начиная с верхней ячейки, а считывание с удалением слова из памяти производится с другой стороны стека и только из нижней ячейки (ячейки 0). Остальные слова в стеке сдви- гаются вниз в соседние ячейки с меньшими номерами. Таким обра- зом, порядок считывания подчиняется правилу: первым поступил - первым обслуживается.
В состав стековой памяти входит счетчик-указатель стека
СчУСт. При записи нового слова в стек содержимое СчУСт увеличи- вается на единицу, при считывании уменьшается на единицу. При
СчУСт = 0 вырабатывается сигнал УСт = 0, обозначающий, что стек пуст. При СчУСт =
1
N
−
формируется сигнал УСт
1
N
−
, указываю- щий, что стек заполнен. Стековая память используется в ЦВМ для аппаратной организации различных очередей.
В стековой памяти FILO (рисунок 5.7,б) запись нового слова происходит в верхнюю ячейку. При этом все ранее записанные слова
(включая слово, находившееся в ячейке 0) сдвигаются вниз, в сосед- ние ячейки с большими на единицу номерами. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки стековой памяти. При этом если производится считывание с удалением, то все остальные слова в па- мяти сдвигаются вверх, в соседние ячейки с меньшими номерами. В этой памяти порядок считывания слов соответствует правилу: по- следним поступил - первым обслуживается. Так организована подача патронов из магазина автоматического стрелкового оружия, поэтому стековую память типа FILO называют также магазинной. Магазинная память снабжается счетчиком-указателем магазина, действие которо- го аналогично указателю стека. Магазинная память эффективна при реализации вложенных алгоритмов и системы прерываний.

171
Рисунок 5.7- Стековая память типа FIFO (а) и типа FILO (б)
5.1.6 Виды адресации и способы их реализации в БЦВМ
Наиболее широкое применение в современных БЦВМ нашли ЗУ с адресной организацией. Это значит, что каждой хранимой единице информации ставится в соответствие специальное число – адрес, оп- ределяющий место ее хранения в памяти.
Сведения об адресе или его составных частях содержатся в ко- манде. Пользуясь этой информацией, машина производит выборку из памяти требуемых программой данных. В свою очередь, сами адреса могут рассматриваться как данные, подвергаться в машине обработке и образовываться в результате вычислений.
Следует различать понятия: адресный код в команде (адресная часть команды) Ак и исполнительный адрес Аи. Адресный код – это информация об адресе, содержащемся в команде. Исполнительный адрес – это номер ячейки памяти, к которой производится фактиче- ское обращение. В современных БЦВМ стремление к уменьшению длины кода команды и созданию удобств при программировании приводит к тому, что адресный код, как правило, не совпадает с ис- полнительным адресом.
Формирование исполнительного адреса может осуществляться различными способами. Наиболее часто используются следующие способы:

172 подразумеваемый операнд; подразумеваемый адрес; непосредственная адресация; прямая адресация; относительная адресация или базирование; косвенная адресация; укороченная адресация; адресация слов переменной длины.
Подразумеваемый операнд. В этом случае в команде не содер- жится явных указаний об адресе операнда, операнд подразумевается и фактически задается кодом операции команды. Данный метод ис- пользуется не часто, однако имеется несколько важных случаев его применения. В качестве примера можно привести команды подсчета, в которых к некоторому числу (содержимому счетчика) прибавляется фиксированное приращение, часто единица младшего разряда. Один из операндов – число в счетчике – обычно адресуется явным методом, второй операнд – приращение – не адресуется, в памяти машины не содержится и является подразумеваемым.
Подразумеваемый адрес. В команде не содержится явных указа- ний об адресе участвующего в операции операнда или адреса, по ко- торому помещается результат операции, но этот адрес подразумева- ется. Например, команда может содержать адреса обоих операндов, участвующих в операции, при этом подразумевается, что результат операции помещается по адресу одного из операндов. Или в команде указывается только адрес одного операнда, а адрес второго, которым является содержимое специального регистра (называемого регистром результата), подразумевается.
Непосредственная адресация. В команде содержится не адрес операнда, а непосредственно сам операнд. При непосредственной ад- ресации не требуется обращения к памяти для выборки операнда и ячейки памяти для его хранения. Это позволяет во многих случаях повысить быстродействие машины и уменьшить объем памяти, необ- ходимый для данной задачи. Непосредственная адресация удобна для хранения различного рода констант. Однако в этом случае длина опе- ранда должна быть меньше кода команды, поскольку часть разрядов команды занята под код операции.
Прямая адресация. Исполнительный адрес совпадает с адресной частью команды. Этот метод адресации был общепринятым в первых