Для хранения небольших массивов кодовых слов могут использоваться регистры. Но уже при необходимости хранить десятки слов применение регистров приводит к неоправданно большим аппаратурным затратам. Для хранения больших массивов слов строят запоминающие устройства (ЗУ) с использованием специальных микросхем, в каждой из которых может храниться информация объемом в тысячи битов.
Основными операциями в памяти в общем случае являются занесение информации в память ("запись") и выборка информации из памяти ("чтение"). Обе эти операции осуществляют ("обращение к памяти").
При обращении к памяти производится чтение или запись некоторой единицы данных - различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, байт, машинное слово или совокупность машинных слов (зона, сектор, блок) для внешних ЗУ.
Производительность и вычислительные возможности ЭВМ в значительной степени определяются составом и характеристиками ее ЗУ. В составе ЭВМ используется одновременно несколько типов ЗУ, отличающихся принципом действия, характеристиками и назначением. Важнейшими характеристиками ЗУ являются емкость памяти, удельная емкость, быстродействие и разрядность.
ЗУ классифицируется по характеру хранения информации, по физическим принципам работы и по назначению.
По характеру хранения информации ЗУ могут быть статическими и динамическими. В статических ЗУ физическое состояние носителя информации в процессе хранения не изменяется. В динамических ЗУ состояние носителя постоянно изменяется. По физическим принципам работы ЗУ делятся на магнитные, электронные, оптические, механические, криогенные.
По назначению различают следующие типы запоминающих устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ).
Оперативное ЗУ используется в условиях, когда необходимо выбирать и обновлять хранимую информацию в высоком темпе работы процессора цифрового устройства. Вследствие этого в ОЗУ предусматриваются три режима работы: режим хранения при отсутствии обращения к ЗУ, режим чтения хранимых слов и режим записи новых слов. При этом в режимах чтения и записи ОЗУ должно функционировать с высоким быстродействием (обычно время чтения или записи слова в ОЗУ составляет доли микросекунды). В цифровых устройствах ОЗУ используются для хранения данных (исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки данных) и программ.
Постоянное ЗУ предназначено для хранения некоторой однажды записанной в него информации, не нарушаемой и при отключении источников питания. В ПЗУ предусматриваются два режима работы: режим хранения и режим чтения с высоким быстродействием. Режим записи не предусматривается. Используются ПЗУ для хранения программ в таких специализированных цифровых устройствах, которые, функционируя длительное время, многократно выполняют действия по одному и тому же алгоритму при различных исходных данных.
Перепрограммируемое ПЗУ в процессе функционирования цифрового устройства используется как ПЗУ. Оно отличается от ПЗУ тем, что допускает обновление однажды занесенной информации, т.е. в нем предусматривается режим записи. Однако в отличие от ОЗУ запись информации требует отключения ППЗУ от цифрового устройства, производится с использованием специальных предназначенных для записи устройств (программаторов) и занимает длительное время, достигающее десятков минут. Перепрограммируемые ПЗУ дороже ПЗУ, и их применяют в процессе отладки программы, после чего их можно заменить более дешевым ПЗУ.
Запоминающее устройство содержит некоторое число N ячеек, в каждой из которых может храниться слово с определенным числом разрядов п. Ячейки последовательно нумеруются двоичными числами. Номер ячейки называется адресом. Если для представления адресов используются комбинации m-разрядного двоичного кода, то число ячеек в ЗУ может составить N = 2m.
Количество информации, которое может храниться в ЗУ, определяет его емкость. Емкость можно выражать числом ячеек N с указанием разрядности n хранимых в них слов в форме N * n, либо ее можно определять произведением N и n: М = N * n бит. Часто разрядность ячеек выбирают кратной байту (1 байт равен 8 битам). Тогда и емкость удобно представить в байтах. Большие значения емкости часто выражаются в единицах К = 210 = 1024. Например, М = 64 Кбайт означает емкость, равную М = 64 * 1024 * 8 бит.
Быстродействие ЗУ характеризуется двумя параметрами: временем выборки tв представляющим собой интервал времени между моментом подачи сигнала выборки и появлением считанных данных на выходе, и циклом записи tцз, определяемым минимально допустимым временем между моментом подачи сигнала выборки при записи и моментом, когда допустимо последующее обращение к памяти.
Запоминающие устройства строятся из набора однотипных микросхем ЗУ с определенным их соединением. Каждая микросхема ЗУ кроме времени обращения и емкости характеризуется потребляемой мощностью, набором питающих напряжений, типом корпуса (числом выводов). Микросхемы ППЗУ дополнительно характеризуются временем хранения записанной в них информации (по истечении которого хранящаяся в ячейках информация может самопроизвольно измениться), допустимым количеством циклов перезаписи (после чего микросхема считается негодной для использования).
5.2.1. Оперативное запоминающее устройство
На рис. 5.1 приведена типичная структура микросхемы ОЗУ. Информация хранится в накопителе. Он представляет собой матрицу, составленную из элементов памяти (ЭП), расположенных вдоль строк и столбцов. Элемент памяти может хранить 1 бит информации (лог.0 либо лог.1). Кроме того, он снабжен управляющими цепями для установки элемента в любом из трех режимов: режиме хранения, в котором он отключается от входа и выхода микросхемы, режиме чтения, в котором содержащаяся в ЭП информация выдается на выход микросхемы, режиме записи, в котором в ЭП записывается новая поступающая со входа микросхемы информация.
Каждому ЭП приписан номер, называемый адресом элемента. Для поиска требуемого ЭП указывается строка и столбец, соответствующие положению ЭП в накопителе. Адрес ЭП в виде двоичного числа принимается по шине адреса в регистр адреса. Число разрядов адреса связано с емкостью накопителя. Число строк и число столбцов накопителя выбираются равными целой степени двух. И если число строк Nстр = 2n1 и число столбцов Nст = 2n2, то общее число ЭП (емкость накопителя):
Например, при емкости N = 210 = 1024 число разрядов адреса n = 10; при этом выбирается n1 = n2 = n/2 = 5, в этом случае число строк и число столбцов накопителя 2*n1 = 2*n2 = 32.