Запоминающие и программируемые устройства

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: параметры, типы, структуру запоминающих устройств, их элементную базу, принципы организации полупроводниковой памяти;

уметь: проводить сравнительный анализ типов запоминающих устройств;

владеть: терминологией запоминающих и программируемых устройств.

Типы, структура и параметры запоминающих устройств

Эффективность систем обработки информации во многом определяется характеристиками технических средств ее хранения. Памятью называют способность воспринимать, хранить и воспроизводить информацию. Технические средства, реализующие функции памяти, носят называние запоминающих устройств (ЗУ). Основой ЗУ служит материальная среда, связанная с каналами ввода (записи) и вывода (чтения) информационных сигналов. В идеальном ЗУ под действием сигнала записи выбранная область среды изменяет свои свойства и сохраняет изменения заданный интервал времени Г, после которого дает возможность воспроизведения записанного сигнала без искажений. Под влиянием внутренних процессов и внешних воздействий в запоминающих ячейках на всех этапах преобразования происходят искажения сигналов, уровень которых зависит от многих факторов.

Регистрируемый сигнал может быть непрерывным (аналоговые ЗУ) или дискретным (цифровые ЗУ). Преимущественно применяются цифровые ЗУ, построенные на основе элементов памяти (ЭП) с двумя устойчивыми состояниями. Использование в ЭП различных физических эффектов — электромеханических, электромагнитных, полупроводниковых, оптоэлектронных, акустоэлектронных и др. — определяет группы ЗУ. Разнообразные требования к параметрам обусловили использование в вычислительной струкРис. 15.1. Запоминающие устройства в вычислительной системе.

(расшифровку обозначений см. в тексте) туре иерархической системы памяти разного типа и назначения (рис. 15.1).

Обмен информацией между блоками в вычислительной системе осуществляется с использованием шины данных (магистрали), к которой с помощью соответствующих интерфейсных устройств подключены ЗУ разного уровня. Запоминающие устройства принято разделять на взаимодействующие непосредственно с процессором основные ЗУ и внешние ЗУ.

Предназначенные для хранения больших объемов данных внешние ЗУ (ВЗУ) отличаются от основных устройств памяти ЦВУ как основными параметрами, так и принципами реализации. В них преимущественно применяют взаимно перемещаемые (подвижные) конструкции носителя с использованием магнитных и оптических эффектов и блоков записи-восироизведения сигналов.

В магнитных ЗУ носитель представляет собой магнитотвердый материал (с широкой петлей гистерезиса), нанесенный тонким слоем на поверхность керамического диска. При записи размагниченный (или намагниченный до насыщения) магнитный носитель перемещают в поле головки записи (ГЗ), в обмотку которой подают импульсы тока i₃, отражающие регистрируемый сигнал щ. Процесс чтения заключается в перемещении носителя вблизи головки воспроизведения (ГВ), в обмотке которой за счет внешнего поля намагниченного материала наводится напряжение и = (1Ф/ск. Полученное напряжение усиливается и обрабатывается для восстановления записанного сигнала щ. Достоинствами магнитной записи являются простота электрического процесса записи-воспроизведения без промежуточных преобразований цифровых сигналов, практически неограниченный срок хранения данных и возможность многократной перезаписи информации при достаточно высокой плотности.

Конструкция накопителя на жестких магнитных дисках (НЖМД), или Hard Disk Drive (HDD), содержит несколько дисков, смонтированных на оси — шпинделе, который приводится во вращение электроприводом. Головки записи-воспроизведения помещают на позиционер, приводимый в движение электроприводом на основе соленоидального линейного электродвигателя. Накопитель оснащен электронной схемой управления (стабилизаторы скорости, дешифраторы команд контроллера, усилители записичтения и т. п.), построенной на основе цифрового сигнального процессора.

Оптические ЗУ обладают высокой плотностью записи данных и применяются в качестве сменных носителей, называемых компактдисками (CD). Данные в оптическом ЗУ хранятся в виде последовательности отражающих и неотражающих участков на дорожках плоской поверхности вращающегося диска. Регистрируемый двоичный сигнал управляет работой оптического модулятора, который изменяет интенсивность светового потока, излучаемого полупроводниковым лазером. Смещенный системой приводов в заданную точку диска световой поток воздействует на чувствительный параметр запоминающей среды. Для считывания данных используют те же узлы, что и при записи, но с меньшей энергией излучения, что обеспечивает возможность многократного воспроизведения.

К основным параметрам ВЗУ относят: максимальный объем данных или емкость; скорость передачи данных в основную память; среднее время доступа, необходимое для поиска требуемых данных.

Широкое распространение получили устройства хранения данных на неподвижных полупроводниковых носителях, носящие название «флэш-ЗУ». По технологии изготовления они близки к основным постоянным запоминающим устройствам.

Среди основных ЗУ по функциональному назначению различают:

• • оперативные (ОЗУ), непосредственно участвующие в вычислительном процессе с непрерывной (оперативной) заменой содержащихся данных;
• • сверхоперативные (СОЗУ), работающие непосредственно с центральным процессорным элементом (ЦПЭ);
• • постоянные (ПЗУ) для хранения программ и данных, практически не изменяющихся в течение срока службы вычислительной системы;
• • буферные (БЗУ), обеспечивающие согласование темпа работы внешних устройств различного быстродействия, подключенных через устройства ввода-вывода (УВВ).

Внутренние ЗУ принято характеризовать следующими основными параметрами: информационной емкостью; быстродействием, определяемым временем выборки t_B от момента подачи сигнала до появления данных на выходе, а также минимально допустимым интервалом между моментом записи и считывания (циклом записи ?_ц). Чтение и запись информации в ЗУ осуществляются в соответствии с назначенным идентификатором (адресом), что привело к включению в основные характеристики способов организации адресации.

Характерные параметры ЗУ зависят от способа организации, структуры построения, принципа функционирования, элементного состава, технологического изготовления. Различие видов ЗУ определяется видом информационного носителя и характером процессов записи-воспроизведения.