Классификация полупроводниковых ЗУ

Важнейшим признаком ЗУ является способ доступа к данным, в соответствии с которым их классифицируют на три типа:

• • адресные ЗУ;
• • ЗУ с последовательным доступом;
• • ЗУ с ассоциативным доступом.

Первыми были созданы полупроводниковые адресные ЗУ. Чтобы обратиться к ячейке адресного ЗУ для чтения или записи информации, необходимо указать адрес этой ячейки. Эти ЗУ лежат в основе постоянной и оперативной памяти всех ЭВМ и вычислительных устройств, построенных на базе микропроцессоров, в частности, устройств числового программного управления станков (УЧПУ).

ЗУ с последовательным доступом используются там, где поступающие данные могут быть выстроены в очередь. Очередь может обслуживаться либо по принципу «первый пришел — первый ушел» — FIFO (first in first out), либо «последний пришел — первый ушел» — LIFO (last in first out), т. е. запись данных осуществляется не, но какому-либо адресу, а в конец очереди, а чтение — либо из конца, либо из начала очереди. ЗУ с последовательным доступом могут использоваться, например, в видеопамяти, обеспечивающей хранение данных о цвете и яркости каждой точки экрана монитора.

В ЗУ с ассоциативным доступом поиск информации осуществляется не, но адресу ячейки и не, но месту в очереди, а по некоторому признаку. Отсюда в их названии присутствует слово «ассоциация». Наиболее важной областью использования ассоциативных ЗУ является кэш-память ЭВМ (подробнее см. параграф 4.7).

Адресные ЗУ

Эти ЗУ наиболее разработаны, и другие виды памяти часто строят на основе адресной с соответствующими модификациями.

Адресные ЗУ делятся на два типа: RAM и ROM.

RAM (Random Access Memory) — русские синонимы ОЗУ (оперативные ЗУ) или ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой). Оперативные ЗУ хранят данные, участвующие в обмене при исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольный момент времени, либо коды самой программы. Для этого программа предварительно должна быть загружена в оперативную память. Запоминающие элементы ОЗУ, как правило, не обладают энергонезависимостью.

ROM (Read Only Memory) — русский эквивалент — ПЗУ (постоянные ЗУ). В процессе работы вычислительного устройства содержимое ПЗУ не изменяется. Процессор вычислительного устройства из этой памяти может лишь прочитать данные или очередные команды программы. Отсюда буквальный перевод английского названия этого вида ЗУ — «память только для чтения». На основе этого вида ЗУ изготавливается постоянная память вычислительных устройств. Информация в микросхему ЗУ заносится либо в процессе ее производства, либо пользователем в специальном режиме программирования.

ОЗУ делятся на статические и динамические. В статических ЗУ запоминающими элементами являются триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В динамических ЗУ информация хранится в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-транзисторов, и для одного ЗЭ достаточно одного транзистора. Поэтому емкость динамических ЗУ в несколько раз превышает емкость статических. Статические ЗУ называются SRAM (Static RAM), а динамические — DRAM (Dynamic RAM).

Статические ОЗУ можно разделить на асинхронные, тактируемые (синхронные) и конвейерные. В асинхронных сигналы управления могут задаваться как импульсами, так и уровнями. Например, сигнал разрешения работы CS может оставаться неизменным и разрешающим на протяжении многих циклов обращения к памяти. В тактируемых ЗУ сигнал разрешения работы CS в каждом цикле обращения к памяти должен переходить из пассивного состояния в активное, т. е. должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле. Этот тип ЗУ называют также синхронным. В конвейерных ЗУ тракт передачи данных реализован по конвейерному принципу. Конвейер работает с тактовой частотой процессора. Это позволяет повысить темп передачи данных в несколько раз.

Так как динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью, именно они используются как основная память ЭВМ. Разработаны многочисленные схемы повышенного быстродействия.

Статические ЗУ в 4−5 раз дороже динамических и во столько же раз меньше по информационной емкости. Их достоинством является более высокое быстродействие, а типичной областью использования — схемы кэш-памяти.

Постоянная память типа ROM (М) программируется при изготовлении методами интегральной технологии с помощью одной из используемых при этом масок. Поэтому в русской терминологии эти ЗУ называются масочными ПЗУ. Для потребителя это в полном смысле постоянная память, так как изменить ее содержание он не может.

В следующих трех разновидностях ROM в обозначениях присутствует буква Р (от programmable). Это программируемая пользователем память (в русской терминологии ППЗУ — программируемые ПЗУ). Для записи информации в ЗЭ подаются специальные электрические сигналы. В ЗУ типа PROM данные могут быть занесены один раз путем прожигания плавких перемычек или, наоборот, за счет создания перемычек путем электрического пробоя. В ПЗУ типа EPROM и EEPROM имеется возможность стирания старой информации и записи новой, поэтому их называют репрограммируемыми ПЗУ. В EPROM стирание выполняется путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, а в EEPROM — электрическими сигналами. Программирование этих разновидностей ROM обычно производится пользователем с помощью специальных приборов — программаторов — в лабораторных условиях.

Память флэш-типа по запоминающему элементу подобна памяти типа EEPROM, отличие между ними — в скорости стирания информации. Чтобы стереть информацию из ПЗУ типа EEPROM, необходимо обратиться к каждой запоминающей ячейке, что требует сравнительно большого времени. В ПЗУ флэш-типа вся информация может быть стерта подачей одного сигнала, т. е. мгновенно (flash — вспышка). В некоторых ПЗУ флэш-типа весь объем запоминающих ячеек делится на блоки и стирание информации осуществляется поблочно.

ЗУ с последовательным доступом

В ЗУ этого класса записываемые данные образуют очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи, либо в обратном порядке. Моделью такого ЗУ является последовательная цепочка запоминающих элементов, в которой данные передаются между соседними элементами.

Прямой порядок считывания имеет место в буферах FIFO, а также в файловых и циклических ЗУ.

Разница между памятью FIFO и файловым ЗУ состоит в том, что в FIFO запись в пустой буфер сразу же становится доступной для чтения, т. е. поступает в конец цепочки. В файловых ЗУ данные поступают в начало цепочки и появляются на выходе после некоторого числа обращений, равного числу элементов в цепочке. Записываемые данные объединяются в блоки, обрамляемые специальными символами конца и начала (файлы). Прием данных из файлового ЗУ начинается после обнаружения приемником символа начала блока.

В циклических ЗУ слова доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым емкостью памяти. К такому типу среди полупроводниковых ЗУ относится видеопамять (VRAM).

Считывание в обратном порядке свойственно стековым ЗУ, для которых реализуется принцип «последний пришел — первый ушел». Такие ЗУ называют буферами LIFO.

ЗУ с ассоциативным доступом

ЗУ этого типа реализует поиск информации по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти (адресу или месту в очереди). В наиболее полной версии все хранимые в памяти слова одновременно проверяются на соответствие признаку, например на совпадение определенных полей слов — тегов (англ. — tag) с признаком, задаваемым входным словом (теговым адресом). Таким признаком может быть полный адрес ячейки оперативной памяти. (Заметим, что емкость оперативной памяти современных компьютеров составляет гигабайты, в то время как емкость ассоциативного ЗУ измеряется сотнями килобайт — единицами мегабайт.) На выход выдаются слова, удовлетворяющие признаку. Принцип выдачи слов, если тегу удовлетворяют несколько слов, а также принцип записи новых данных могут быть разными. Основная область применения ассоциативной памяти современных ЭВМ — кэш-память данных.