Разработка электрической схемы макета для исследований работы видеопамяти

Министерство просвещения ПМР ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Отделение Информационных технологий и экономических дисциплин

Дипломная работа

Тема: Разработка электрической схемы макета для исследований работы видеопамяти

Исполнитель:

Иванов Дмитрий Александрович, гр. 414

Специальность: ТОСВТ Руководитель: преподаватель отделения ИТ Петрова Юлия Владимировна г. Тирасполь

Реферат В данной дипломной работе рассмотрена видеопамять как с логической, так и с физической точек зрения. Целью работы является анализ схемотехнических решений устройств для исследований работы видеопамяти, рассмотрение принципов работы видеопамяти, разработка структурная и принципиальная схемы устройства, изготовление макета.

В программах Protel и PSpice AD рассмотрена работа основных элементов устройства видеопамяти, такие как мультиплексор, компаратор, счетчик адресов, статические регистры. Эти устройства реализуются на базе логических элементов И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ и инверторов.

В экономической части рассмотрен производственный процесс и его организация. Изучена организация производственного процесса в ПМР.

Организация производства — это система мер, направленных на рационализацию сочетания в пространстве и времени вещественных элементов и людей, занятых в процессе производства. Главной задачей организации производства является максимальное удовлетворение потребностей общества.

В части диплома, связанной с охраной труда, рассмотрены основные меры безопасности при техническом обслуживание электронной техники: санитарно-гигиенические нормы, требования пожарной безопасности электробезопасность, защита от шума и вибраций, требования к организации рабочего места техника и требования безопасности при пайке.

• Введение
• Раздел 1. Теоретическая часть. Разработка электрической схемы макета для исследований работы видеопамяти
• 1.1 Аналитический обзор по теме
• 1.1.1 Память SRAM
• 1.1.2 Память DRAM
• 1.1.3 Память типа VRAM
• 1.1.4 Структура видеопамяти VRAM
• 1.1.5 Типы видеопамяти
• 1.1.6 Модификация данных в видеопамяти
• 1.2 Практическая часть
• 1.2.1 Обзор программ для исследования и проектирования элементов электроники
• 1.2.2 Исследование видеопамяти с помощью программы Protel
• 1.2.3 Выбор элементной базы для построения платы видеопамяти
• 1.2.4 Изготовление платы видеопамяти
• Раздел 2. Производственный процесс и его организация
• 2.1 Понятия организации производственного процесса
• 2.2 Принципы организации производственного процесса
• 2.3 Оценка уровня организации производственного процесса
• 2.4 Организация производственного процесса в ПМР
• Раздел 3. Охрана труда. Меры безопасности при техническом обслуживание электронной техники
• 3.1 Анализ условий труда
• 3.2 Характеристика санитарногигиенических условий труда
• 3.3 Защита от шума и вибрации на рабочих местах
• 3.4 Электробезопасность. Требования безопасности при работе с электрооборудованием
• 3.5 Требования к организации и оборудованию рабочего места техника
• 3.6 Статическое электричество и электромагнитное излучение
• 3.7 Причины возникновения коротких замыканий, их профилактика
• 3.8 Требования безопасности при пайке
• 3.9 Требования пожарной безопасности. Причина возникновения пожаров в электронной аппаратуре
• Заключение
• Список литературы

Одним из ведущих направлений развития современной микроэлектроники элементной базы являются большие интегральные микросхемы памяти, которые служат основой для построения запоминающих устройств в аппаратуре различного назначения. Наиболее широкое применение эти микросхемы нашли в ЭВМ, в которых память представляет собой функциональную часть, предназначенную для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.

Данная работа является актуальной, так как оперативная память используется под нужды различных графических приложений и игр. Технологии производства ОЗУ видеокарт развиваются более стремительно, чем ОЗУ для персональных компьютеров, в связи с тем, что игровая индустрия никогда не стоит на месте.

Целью данной дипломной работы является исследование схемотехнических решений устройств для исследований работы видеопамяти, разработка структурной и принципиальной схемы, изготовление макета.

Для реализации поставленных целей нужно решить следующие задачи:

рассмотреть литературных данных по теме диплома, провести исследования по данной тематике (разработать схемы, спроектировать устройство, проанализировать рабочие характеристики устройства), привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства.

Раздел 1. Теоретическая часть. Разработка электрической схемы макета для исследований работы видеопамяти

1.1 Аналитический обзор по теме

Оперативная память (RAM, Random Access Memory, память произвольного доступа) — это энергозависимая среда, в которую загружаются и в которой находятся прикладные программы и данные в момент, пока вы с ними работаете. Когда вы заканчиваете работу, информация удаляется из оперативной памяти. Если необходимо обновление соответствующих дисковых данных, они перезаписываются. Это может происходить автоматически, но часто требует команды от пользователя. При выключении компьютера вся информация из оперативной памяти теряется.

В связи с этим трудно недооценить все значение оперативной памяти. Однако до недавнего времени эта область компьютерной индустрии практически не развивалась (по сравнению с другими направлениями). Взять хотя бы видео, аудиоподсистемы, производительность процессоров и. т. д. Усовершенствования были, но они не соответствовали темпам развития других компонентов и касались лишь таких параметров, как время выборки, был добавлен кэш непосредственно на модуль памяти, конвейерное исполнение запроса, изменен управляющий сигнал вывода данных, но технология производства оставалась прежней, исчерпавшей свой ресурс. Память становилась узким местом компьютера, а, как известно, быстродействие всей системы определяется быстродействием самого медленного ее элемента. И вот несколько лет назад волна технологического бума докатилась и до оперативной памяти. Быстрое усовершенствование оперативной памяти позволило кроме ее усовершенствования, значительно снизить цену на нее.

Но даже после падения цен, память системы, как правило, стоит вдвое дороже, чем системная плата. До обвального падения цен на память в середине 1996 г. в течении многих лет цена одного мегабайта памяти держалась приблизительно на уровне 40 долларов. К концу 1996 г. цена одного мегабайта памяти снизилась примерно до 4 долларов. Цены продолжали падать, и после главного обвального падения стоимость одного мегабайта не превышает доллара, или приблизительно 125 доларов за 128 Мбайт.

Хотя память значительно подешевела, модернизировать приходится ее намного чаще, чем несколько лет назад. В настоящее время новые типы памяти разрабатываются намного быстрее, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет устанавливать память нового типа, как никогда велика.

Всю память с произвольным доступом (RAM) можно разделить на два типа:

DRAM (динамическая RAM)

SRAM (статическая RAM).

Причем независимо от типа оперативная память ЭВМ является адресной. Это значит, что каждой, хранимой в памяти единице информации ставится в соответствие специальное число, а именно адрес, определяющий место его хранения в памяти. В современных ЭВМ различных типов, как правило, минимальной адресуемой единицей информации является байт (8-ми разрядный код). Более крупные единицы информации — это слово и производные: двойное слово, полуслово и т. д. (образуется из целого числа байт). Обычно слово соответствует формату данных, наиболее часто встречающихся в данной машине в качестве операндов.

1.1.1 Память SRAM

История создания статической памяти уходит своими корнями в глубину веков. Память первых релейных компьютеров по своей природе была статической и долгое время не претерпевала практически никаких изменений (во всяком случае — концептуальных), — менялась лишь элементарная база: на смену реле пришли электронные лампы, впоследствии вытесненные сначала транзисторами, а затем TTLи CMOS-микросхемами: но идея, лежащая в основе статической памяти, была и остается прежней.

Динамическая память, изобретенная, кстати, значительно позднее, в силу фундаментальных физических ограничений, так и не смогла сравняться со статической памятью в скорости.

Ядро микросхемы статической оперативной памяти (SRAM — Static Random Access Memory) представляет собой совокупность триггеров — логических устройств, имеющих два устойчивых состояния, одно из которых условно соответствует логическому нулю, а другое — логической единице. Другими словами, каждый триггер хранит один бит информации.

К недостаткам триггеров статической оперативной памяти следует отнести их высокую стоимость и низкую плотность хранения информации. Если для создания ячейки динамической памяти достаточного всего одного транзистора и одного конденсатора, то ячейка статической памяти состоит как минимум из четырех, а в среднем шести — восьми транзисторов, поэтому мегабайт статической памяти оказывается по меньшей мере в несколько раз дороже.

Устройство триггера В основе всех триггеров статической оперативной памяти лежит кольцо из двух логических элементов «НЕ» (инверторов), соединенных по типу «защелки» (см. рис. 1). Рассмотрим, как он работает. Если подать на линию Q сигнал, соответствующий единице, то, пройдя сквозь элемент D. D1 он обратится в ноль. Но, поступив на вход следующего элемента, — D. D2 — этот ноль вновь превратится в единицу. Поскольку, выход элемента D. D2 подключен ко входу элемента D. D1, то даже после исчезновения сигнала с линии Q, он будет поддерживать себя самостоятельно, т. е. триггер перейдет в устойчивое состояние. Образно это можно уподобить дракону, кусающему себя за хвост.

Естественно, если на линию Q подать сигнал, соответствующий логическому нулю, — все будет происходить точно так же, но наоборот!

Рис. 1. Устройство простейшего триггера (слева). Образно это можно представить драконом, кусающим свой хвост Устройство элемента «НЕ» (инвертора) Как устроен элемент «НЕ»? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. В зависимости от имеющейся у нас элементарной базы, конечная реализация варьируется в очень широких пределах.

Ниже в качестве примера приведена принципиальная схема простейшего инвертора, сконструированного из двух последовательно соединенных комплементарых /* взаимно дополняемых */ CMOS-транзисторов — pи nканального (см. рис. 2).

Если на затворы подается нулевой уровень, то открывается только p-канал, а n-канал остается разомкнутым. В результате, на выходе мы имеем питающее напряжение (т. е. высокий уровень). Напротив, если на затворы подается высокий уровень, размыкается n-канал, а p-канал — замыкается. Выход оказывается закорочен на массу и на нем устанавливается нулевое напряжение (т. е. низкий уровень).

Рис. 2. Устройство элемента НЕ (инвертора) Устройство матрицы статической памяти Подобно ячейкам динамической памяти, триггеры объединяются в единую матрицу, состоящую из строк (row) и столбцов (column), последние из которых так же называются битами (bit).

В отличии от ячейки динамической памяти, для управления которой достаточно всего одного ключевого транзистора, ячейка статической памяти управляется как минимум двумя. Это не покажется удивительным, если вспомнить, что триггер, в отличии от конденсатора, имеет раздельные входы для записи логического нуля и единицы соответственно. Таким образом, на ячейку статической памяти расходуется целых восемь транзисторов (см. рис. 3) — четыре идут, собственно, на сам триггер и еще два — на управляющие «защелки» .

Причем, шесть транзисторов на ячейку — это еще не предел! Существуют и более сложные конструкции! Основной недостаток шести транзисторной ячейки заключается в том, что в каждый момент времени может обрабатываться всего лишь одна строка матрицы памяти. Параллельное чтение ячеек, расположенных в различных строках одного и того же банка невозможно, равно как невозможно и чтение одной ячейки одновременно с записью другой.

Рис. 3. Устройство 6-транзистроной одно-портовой ячейки SRAM-памяти

Этого ограничения лишена многопортовая память. Каждая ячейка многопортовой статической оперативной памяти содержит один-единственный триггер, но имеет несколько комплектов управляющих транзисторов, каждый из которых подключен к «своим» линиям ROW и BIT, благодаря чему различные ячейки матрицы могут обрабатываться независимо. Такой подход намного более прогрессивен, чем деление памяти на банки. Ведь, в последнем случае параллелизм достигается лишь при обращении к ячейкам различных банков, что не всегда выполнимо, а много портовая память допускает одновременную обработку любых ячеек, избавляя программиста от необходимости вникать в особенности ее архитектуры.

Наиболее часто встречается двух — портовая память, устройство ячейки которой изображено на рис. 4. Нетрудно подсчитать, что для создания одной ячейки двух — портовой статической оперативной памяти расходуется восемь транзисторов. Пусть емкость кэш-памяти составляет 32 Кб, тогда только на одно ядро уйдет свыше двух миллионов транзисторов!

Единственное различие в интерфейсах статической и динамической памяти заключается в том, что микросхемы статической памяти имея значительно меньшую емкость (а, следовательно — и меньшее количество адресных линий) и геометрически располагаясь гораздо ближе к процессору, могут позволить себе роскошь не прибегать к мультиплексированию. И потому, для достижения наивысшей производительности, номера строк и столбцов чаще всего передаются одновременно.

Рис. 4. Устройство 8-транзистроной двух портовой ячейки SRAM-памяти Рис. 5, 6. Ячейка динамической памяти воплощенная в кристалле Если статическая память выполнена в виде самостоятельной микросхемы, а не располагается непосредственно на кристалле процессора, линии ее входа зачастую объединяют с линиями выхода, и требуемый режим работы приходится определять по состоянию специального вывода WE (Write Enable). Высокое состояние вывода WE готовит микросхему к чтению данных, а низкое — к записи. Статическая память, размещенную на одном кристалле вместе с процессором, обычно не мультиплексирует, и в этом случае содержимое одной ячейки можно читать параллельно с записью другой (линии входа и выхода ведь раздельные!).

Номера столбцов и строк поступают на декодеры столбца и строки соответственно (см. рис. 7). После декодирования расшифрованный номер строки поступает на дополнительный декодер, вычисляющий, принадлежащую ей матрицу. Оттуда он попадает непосредственно на выборщик строки, который открывает «защелки» требуемой страницы. В зависимости от выбранного режима работы чувствительный усилитель, подсоединенный к битовым линейкам матрицы, либо считывает состояние триггеров соответствующей raw-линейки, либо «перещелкает» их согласно записываемой информации.

Рис. 7. Устройство типовой микросхемы SRAM-памяти

1.1.2 Память DRAM

Для того, чтобы удешевить оперативную память, в 90-х годах XX века вместо дорогого статического ОЗУ на триггерах стали использовать динамическое ОЗУ (DRAM). Принцип устройства DRAM следующий: система металл-диэлектрик-полупроводник способна работать как конденсатор. Как известно, конденсатор способен некоторое время «держать» на себе электрический заряд. Обозначив «заряженное» состояние как 1 и «незаряженное» как 0, мы получим ячейку памяти емкостью 1 бит. Поскольку заряд на конденсаторе рассеивается через некоторый промежуток времени (который зависит от качества материала и технологии его изготовления), то его необходимо периодически «подзаряжать» (регенерировать), считывая и вновь записывая в него данные. Из-за этого и возникло понятие «динамическая» для этого вида памяти.

За 10 лет, прошедших со времени создания первых микросхем DRAM, их развитие шло «семимильными» шагами по сравнению с SRAM. Эволюция DRAM рассматривается в следующем подразделе.

Принцип действия На рис. 3 изображена схема памяти DRAM, которая состоит из одного транзистора и одного конденсатора, занимающего места раза в четыре больше транзистора (в основном вглубь кристалла). Потому ячейки DRAM довольно просто сделать очень малых размеров, а следовательно, «упаковать» их большее количество на один кристалл, не теряя в быстродействии. Отсюда и распространенность DRAM в качестве компьютерных ОЗУ — при всем кажущемся неудобстве процессов, связанных с непрерывной регенерацией содержимого.

Рис. 8. Схема памяти DRAM

При чтении данных с такой ячейки подается высокий уровень напряжения на линию строк (рис. 3), транзистор открывается, и заряд, хранящийся на конденсаторе данной ячейки, поступает на вход усилителя, установленного на выходе столбца. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю на выходе, а его наличие — логической единице. Быстрая утечка зарядов в ячейке DRAM обусловлена наличием транзистора, который состоит вовсе не из изолятора, а из полупроводника, потому даже в запертом виде имеет мизерные, но конечные токи утечки.

Дело в том, что ввиду микроскопических размеров конденсатора (и, соответственно, емкости) в ячейке DRAM записанная информация хранится всего лишь сотые доли секунды. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным электрическим сопротивлением, заряд, состоящий в рядовом случае всего из нескольких сотен, максимум тысяч электронов, успеет утечь так быстро.

Решением стал сконструированный сотрудником Intel Доном Фрохманом полевой транзистор с плавающим затвором (рис 4). Если каким-то образом разместить на плавающем затворе некоторое количество зарядов — свободных электронов — то они будут экранировать действие управляющего электрода, и такой транзистор вообще перестанет проводить ток. Поскольку затвор «плавает» в толще изолятора (двуокиси кремния, SiO2), то сообщенные ему однажды заряды в покое никуда деться не могут. Далее были разработаны способы размещения электронов на изолированном от внешних воздействий плавающем затворе.

Рис. 9. Схема полевого транзистора с плавающим затвором Для записи на управляющий затвор подавали достаточно высокое положительное напряжение — до 36−40 В (что для микроэлектронной техники считается просто катастрофическим перенапряжением), а на сток транзистора — небольшое положительное. При этом электроны, которые двигались от истока к стоку, настолько ускорялись полем управляющего электрода, что барьер в виде изолятора между подложкой и плавающим затвором просто «перепрыгивали». Такой процесс называется инжекцией горячих электронов.

Для удаления электронов применялся метод квантового туннелирования: при достаточно тонкой пленке изолятора (10 нм) электроны, если их слегка «подтолкнуть» не слишком высоким напряжением в нужном направлении, могут «просачиваться» через барьер, не перепрыгивая его.

Регенерация Память DRAM изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости, которые быстро теряют заряд, поэтому информацию приходится обновлять через определённые промежутки времени во избежание потерь данных. Этот процесс называется регенерацией памяти. Он реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или же на кристалле центрального процессора. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка «ячеек», и через 8−64 мс обновляются все строки памяти.

Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно «тормозит» работу системы, поскольку в это время обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, не применяется в современных типах DRAM. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса — расширенный, пакетный, распределенный; наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

Из новых технологий регенерации можно выделить тип регенерации PASR (англ. Partial Array Self Refresh), применяемый компанией Samsung в чипах памяти SDRAM с низким уровнем энергопотребления. Регенерация «ячеек» выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых «имеются данные».

Параллельно с этой технологией реализуется метод TCSR (англ. Temperature Compensated Self Refresh), который предназначен для регулировки скорости процесса регенерации в зависимости от рабочей температуры.

1.1.3 Память типа VRAM

Первые чипы памяти, пригодные для использования в компьютерной графике были микросхемы DRAM. DRAM является энергозависимой памятью. Электрический заряд в каждой из ячеек памяти оставляет нулевой или единичный бит данных. Заряд каждой ячейки должен непрерывно обновляться с целью избежать потери электрического сигнала со временем, в следствии чего теряются хранящиеся в памяти данные. Требуется два цикла вычислений для считывания данных в память и из нее.

VRAM была разработана в качестве альтернативы DRAM и была призвана преодолеть ограничения по производительности, за счет считывания и записи данных из банков памяти за один цикл. В то же время, использование VRAM требует наличия специального контроллера, разработанного для использования именно с этим типом памяти. Рынок обоих типов памяти четко сегментирован. VRAM все еще используется в подсистемах, рассчитанных на очень высокое разрешение и в которых очень важна возможность работы с 24-битным представлением цвета (например в системах CAD, верстки и цветоделения). Память типа DRAM используется в стандартных графических подсистемах, рассчитанных, в основном, на офисное применение (электронные таблицы, текстовые процессоры). Однако, экзотические типы памяти все больше и больше используются вместо VRAM и DRAM в их традиционных областях применения. Все более отчетливо можно видеть, что для разных приложений предлагается использовать разные типы памяти.

Улучшения в архитектуре DRAM заключались в увеличении производительности, за счет ускорения разными путями скорости выполнения циклов чтения и записи. Эта традиционная, хотя и работающая быстрее, архитектура DRAM требует небольших или вообще не требует, изменений в интерфейсе графического процессора для использования в видеоподсистеме.

Ускорение работы этих типов памяти достигается за счет увеличения частоты, с которой происходят циклы чтения и записи DRAM. Время, требуемое на снаряжение зарядом конденсатора ячейки памяти DRAM, является физическим ограничением. Для преодоления этого ограничения DRAM, производители размещают высокопроизводительный буфер памяти между блоком памяти и графическим процессором. Это обеспечивает возможность увеличения пропускной способности, за счет организации сквозной очередности данных для всех блоков памяти, даже несмотря на то, что память DRAM может быть недостаточно быстрой для обработки данных приходящих от процессора. Этот эффект можно сравнить с быстрым входом массы людей в метро, когда несколько турникетов обслуживают сразу группу пассажиров. Вы можете наблюдать пакетное перемещение, когда за промежуток времени, требуемый для прохода через турникет одному человеку, происходит перемещение сразу нескольких пассажиров. В результате пропускная способность становится гораздо выше. В улучшенных архитектурах DRAM оптимизированы потоки информации в и из буфера, что обеспечивает оптимизацию потока данных из памяти и обеспечивает обновление содержимого ячеек памяти с большей, нежели нормальная, скоростью. В итоге, видно, что главной целью улучшений архитектуры было снижение времени ожидания, требуемого данным для запись в память и считывание из нее.

1.1.4 Структура видеопамяти VRAM

В растровых дисплейных системах видеопамять организована в виде прямоугольного массива точек. Элемент видеопамяти, стоящий на пересечении конкретных строки и столбца видеопамяти, хранит значение яркости и/или цвета соответствующей точки. Отображаемая на экране часть видеопамяти называется экранным буфером (буфером регенерации или экранной битовой картой). Регенерация изображения осуществляется последовательным построчным сканированием экранного буфера.

Так как каждый элемент видеопамяти определяет один элемент отображения размером в точку на экране монитора, то каждая точка экран (и соответствующий ей элемент видеопамяти) обозначаются термином пиксел (pixel — picture element).

Задача системы вывода изображений (видеоконтроллера) состоит в циклическом построчном просмотре экранного буфера от 25 до 100 раз в секунду. Адреса видеопамяти генерируются синхронно с координатами растра и содержимое выбранных пикселов используется для управления цветом и интенсивностью луча. Общая организация системы вывода изображений приведена на рис. 10.

Рис. 10. Экранный буфер и система вывода изображения Генератор растровой развертки формирует сигналы отклонения и управляет адресными X и Y регистрами, определяющими следующий элемент буфера регенерации.

В идеальном случае время, требуемое для регенерации экранного буфера, должно быть много меньше, чем время, необходимое для манипуляций с данными, что позволит быстро обновлять или двигать изображение. Это означает, что усилители отклонения и усилитель, управляющий интенсивностью луча, должны быть очень широкополосными, чтобы обеспечить требуемую скорость передачи данных между экранным буфером и системой вывода изображения.

Частота регенерации для графических дисплейных систем среднего разрешения лежит в пределах 50 Мгц, а для систем высокого разрешения достигает 100−125 Мгц, с явной тенденцией к частотам более 125 Мгц в последнее время. При таких частотах таймирование регенерации экранного буфера становится важной задачей при проектировании подсистемы графического вывода. Так ка обычная DRAM память не обеспечивает времени доступа, подходящего для существующих мониторов высокого разрешения, то регенерация видеопамяти на таких частотах требует ее специальной организации. Пример организации видеопамяти, построенной на обычной динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) приведен на рис. 11.

Рис. 11. Регенерация экранного буфера, построенного на обычной динамической памяти (DRAM)

В такой системе регенерация экранного буфера видеопамяти осуществляется с помощью параллельно-последовательного преобразования. Выполняя регенерацию, видеоконтроллер выставляет адрес слова, требуемое слово данных видеопамяти (обычно 16−32−64 бита) затем трансформируется в последовательный видеопоток (videostream) с помощью внешнего сдвигового регистра под контролем аппаратуры регенерации. На рис. 2 показана реализация регенерации экранного буфера для системы с одним слоем. Системы регенерации со многими слоями требуют такого же количества (16−32−64) битовых слов, подлежащих регенерации и параллельно-последовательных сдвиговых регистров, что и число битовых слоев видеопамяти.

Если частота регенерации экранного буфера составляет порядка 100 Мгц, то такое параллельно-последовательное преобразование уменьшает требования к частоте тактирования параллельно считываемого слова из экранного буфера видеопамяти до 6.25 Мгц, что требует времени доступа порядка 160 нс. При такой организации видеопамяти манипуляции с данными и обновление экрана должны происходить во времена межстрочного и межкадрового интервалов, когда регенерации не происходит. Таким образом, узкое место для обычной DRAM памяти в качестве видеопамяти в графических дисплейных системах вытекает из двух противоречивых требований:

? для растровых дисплейных систем должна осуществляться постоянная регенерация экранного буфера видеопамяти, что требует считывания выводимой на экран монитора графической информации с периодическим, жестко заданным циклом;

? с другой стороны, требуется время для обновления больших массивов данных видеопамяти со стороны собственно аппаратуры генерации изображений, работающей, как правило, в цикле чтение-модификация-запись.

Доступные в настоящее время DRAM устройства даже с наиболее быстрыми режимами доступа не обеспечивают быстрого чтения их содержимого для поддержки требуемого ритма регенерации, оставляя крайне мало времени графическому процессору для модификации изображения. Таким образом, ограниченная полоса пропускания DRAM памяти ограничивает доступ аппаратуры формирования изображений к данным видеопамяти на время значительных периодов регенерации экранного буфера. Проблема усложняется по мере увеличения экранного буфера из-за возрастания числа отображаемых пикселов для мониторов высокого разрешения или при увеличении числа битов на пиксел в системах с большим количеством отображаемых цветов.

Для решения этой проблемы разработаны различные архитектуры видеопамяти, включая двухпортовую видеопамять, двойное буферирование и др.

Однако лучшее решение этой проблемы достигается за счет применения нового типа DRAM памяти, получившей название VRAM (Video Random Accses Memory), например Texas Instrument 4161, разработанной специально для использования в качестве памяти изображения в растровых дисплейных система. Структурная схема подобной памяти приведена на рис. 12.

Рис. 12. Структурная схема VRAM памяти Эта видеопамять содержит 2 порта, обеспечивая независимый доступ со стороны видеоконтроллера для регенерации и аппаратуры формирования изображений — графических процессоров. VRAM фактически представляет собой обычную DRAM память, которая была «внутренне» модифицирована посредством добавления сдвигового регистра. D и Q — это обычные входы и выходы порта с произвольной выборкой. Сигнал TR активируется на время передачи данных между сдвиговым регистром и видеопамятью. Сигналы SIN и SOUT — последовательные вход и выход сдвигового регистра, а сигнал SCLK — последовательный вход, управляющий сдвиговым регистром. Сдвиговый регистр загружается параллельным потоком в 256 бит из массива памяти за один цикл регенерации экрана. Длительность этого цикла не длиннее, чем стандартный цикл памяти. Обычно сдвиговый регистр загружается 1 раз во время обратного хода луча. Когда обратный ход заканчивается, на вход SCLK подается сигнал, вызывая сдвиг данных на последовательном выходе SOUT.

На рис. 3 показан модуль видеопамяти объемом 64 Кбайт. Видеопамять объемом 256 Кбайт может быть построена из 4 модулей по 64 Кбайт (рис.13).

Рис. 13. Структурная схема многослойной VRAM памяти В этом случае выходы SOUT от нескольких VRAM модулей подаются на параллельные входы внешнего сдвигового регистра, последовательный выход (CLK) которого тактируется со скоростью вывода точек (видеопотока битов), требуемой для регенерации экрана монитора.

В видеопамяти с такой организацией время на регенерацию экранного буфера (отображения на экран монитора) составляет менее 1.5% времени доступа. В системах же с обычной DRAM памятью время на регенерацию экрана составляет от 40% до 60% времени доступа.

Таким образом, применение VRAM обеспечивает практически полное время доступа для модификации данных видеопамяти, так как на одну строку сканирования растра требуется одна загрузка сдвигового регистра. Следовательно, в то время как предварительно загруженные видеоданные «выталкиваются» из сдвигового регистра в канал графического вывода, одновременно может осуществляться произвольный доступ к видеопамяти со стороны графических процессоров для модификации изображения.

1.1.5 Типы видеопамяти

Выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5.

· DDR (Double Data Rate — удвоенная скорость передачи данных) — является самым старым видом оперативной памяти, которую можно еще сегодня купить, но ее рассвет уже прошел. Все сигналы на выборку данных поступают с той же частотой, а сами запрошенные данные передаются вдвое быстрее — по два пакета за один такт. Получается почти двухкратное увеличение пропускной способности шины памяти. И при этом технология производства не сильно отличается от технологии обычной SDRAM.

· Cтандарты DDR2, несколько лет назад столь передовые, в настоящее время безвозвратно уходят в прошлое, так как морально устарели. Место DDR2 уверенно заняли сегодня микросхемы GDDR4 и GDDR3, которые обладают значительно лучшими характеристиками, а также работают на больших скоростях.

· GDDR2(DDR2) — представляет собой самую обычную DDR2, выполненную в другой корпусировке для достижения более высоких тактовых частот при работе в составе видеокарты. Впервые был использован в видеокарте GeForce FX5800Ultra, в настоящее время применяется только в видеокартах начального уровня

· GDDR3 — электрические отличия от GDDR2 носят принципиальный характер и заключаются в наличии внутренней терминации и других усовершенствований, но к DDR3 эта память никакого отношения не имеет, поскольку по прежнему осуществляется четырёхкратная внутренняя предвыборка подобно DDR2 (т.е. сами ячейки памяти работают на вчетверо меньшей частоте, чем эффективная частота передача данных, а тактовая частота интерфейса (которую обычно и считают тактовой частотой памяти) соответственно вдвое меньше этой частоты (также аналогично «обычной» DDR2).

· Несмотря на относительную «древность» (Впервые был использован в GeForce 6800Ultra), данный тип памяти до сих пор является основным для видеокарт nVidia (Включая новейшую GeForce GTX 285).

· GDDR4 — отличается от GDDR3 в первую очередь наличием восьмикратной предвыборки, подобно «обычной» DDR3, и, следовательно, способностью работать на ещё больших тактовых частотах при одинаковой технологии изготовления. В настоящее время данный тип памяти практически снят с производства и заменён GDDR5. Применялся ограниченно и только в видеокартах ATI, в первую очередь — в Radeon HD3870.

· GDDR5 — cамый современный и самый быстрый тип видеопамяти, радикальное отличие от GDDR4 заключается в раздельном тактировании линий передачи данных и адресов, а также в наличии эффективных средств снижения энергопотребления, сейчас используется во всех призводительных видеокартах ATI/AMD и nVidia.

видеопамять программа макет

1.1.6 Модификация данных в видеопамяти

Рассмотрим архитектуры видеопамяти с точки зрения манипуляции/обновления данных. Вопросы, относящиеся к выборке и обработке данных в видеопамяти графическим и/или центральным процессором, оказывают существенное влияние как на организацию самой видеопамяти, так и на внутреннюю архитектуру технических средств формирования изображений. Изображение, хранящееся в видеопамяти, концептуально может быть представлено в виде куба (рис. 14).

Рис. 14. Графический экранный буфер Каждый пиксел, выводимый на экран монитора, состоит из отдельных битов видеопамяти, находящихся внутри куба.

Соотношение между значением пиксела, отображаемого из экранного буфера видеопамяти, и цветом на экране монитора устанавливается с помощью таблицы цветности видеоконтроллера. Доступ к данным, хранящимся внутри куба, необходим для их модификации и манипуляций с ними, регенерации экранного буфера и его обновления. В основном имеются 3 конфигурации: организация видеопамяти «в глубину», ориентированная на обработку элементов отображения — ЭО (пикселов), организация видеопамяти в виде битовых слоев (разрядных матриц) и «смешанная» архитектура.

Архитектура «в глубину» .

При такой организации видеопамяти обрабатываемые в каждый момент данные есть пиксел. В этом случае для многих слоев видеопамяти, генерируемый адрес вызывает слово данных, представляющих композицию битов «сквозь» слои, составляющие видеопамять (отсюда появился термин «глубина пиксела» — «pixel depth»). Такая архитектура применяется в системах высокого разрешения, предназначенных для обработки цветной трехмерной графической информации, например, в обработке изображений и моделировании структур твердых тел, т. е. там где значения каждого пиксела подвергаются интенсивным вычислениям. Эти применения, как правило, требуют «глубины пиксела» от 8 до 22−24 бит. В архитектуре «в глубину» данные в видеопамяти обрабатываются поэлементно. В случае использования для воспроизведения изображений, состоящих из нескольких цветовых плоскостей, адрес, направляемый в экранный буфер, генерирует слово данных, составленное из битов, представляющих собой одноименные разряды требуемых разрядных матриц.

" Слойная" архитектура.

В «слойной» («plane») архитектуре данные видеопамяти обрабатываются как одно слово (обычно 16 бит) в каждый момент времени (пословная обработка) и отдельно для каждого слоя (разрядной матрицы).

Чтобы изменить один разряд слова видеопамяти, вместе с ним необходимо передать и оставшиеся 15 разрядов. Кроме того, для того чтобы обеспечить позиционирование и перемещение изображения с точностью до бита и с удовлетворительной скоростью, требуется специализированная аппаратура, осуществляющая быстрые сдвиги и «слияния» цепочек битов видеопамяти («barrell shifter»). Однако, несмотря на это условие, «слойные» архитектуры видеопамяти являются наиболее популярными в интерактивных 2D системах, так как требуют менее интенсивных вычислений значений пикселов (по сравнению с архитектурой «в глубину»), но более интенсивных вычислений при создании и перемещении изображения. Такие архитектуры видеопамяти часто находят применение в системах обработки инженерной и экономической информации, поскольку для них характерен значительный объем операций, связанных с манипуляциями данными и перемещении изображения.

Кроме того, достоинством такой архитектуры является возможность пословного доступа к видеопамяти со стороны центрального процессора (при соответствующей организации такая видеопамять для центрального процессора ничем не отличается от обычной оперативной памяти). Пословный доступ при достаточной разрядности слова (16−32 бит) и ограниченных требованиях к цвету (до 16 цветов, что требует четырех слоев видеопамяти) и при наличии аппаратных средств быстрого сдвига дают выигрыш в скорости, так как за один цикл памяти считывается сразу 16−32 битов данных, подлежащих модификации.

" Смешанная" архитектура.

В этой архитектуре доступ к данным видеопамяти может производиться как по «глубине» пиксела, так и в «ширину», реализуя лучшие возможности обеих архитектур.

Следует отметить, что такие архитектуры в последнее время применяются в дисплейных системах наиболее дорогих рабочих станций, поскольку требуют значительных аппаратных затрат на их реализацию.

При покупке графического адаптера зачастую приходится ориентироваться не только на GPU, который лежит в его основе, но и на объем установленной видеопамяти. Причем разброс здесь очень велик — от скромных 256 МБ до внушительных 2 ГБ. Существуют различные мнения о том, какое же количество мегабайт нужно для комфортной игры. Попробуем разобраться, сколько видеопамяти требуют современные игры, есть ли польза от дополнительного объема и стоит ли за него переплачивать.

При нехватке видеопамяти графические ускорители используют тот же метод, что и ОС при недостатке ОЗУ, с одним лишь отличием — вместо файла на жестком диске (хотя в особо тяжелых случаях есть и такой вариант) для расширения видеопамяти задействуется оперативная память компьютера. Однако даже если бы GPU мог использовать ОЗУ без всевозможных задержек, так же как и локальную, разница в скорости между этими двумя типами очень велика. К примеру, пропускная способность памяти у ATI Radeon HD 3850 составляет около 53 ГБ/с, в то время как у двухканальной DDR2, работающей на частоте 800 МГц, — всего 6,4 ГБ/с.

Максимальная загрузка видеопамяти, МБ Если видеопамяти недостаточно, то в первую очередь выгружаются не используемые на текущий момент текстуры. Трудности начинаются, когда они понадобятся снова: их придется доставать из оперативной памяти, а заодно искать другие текстуры, которые можно выгрузить в ОЗУ. Если таких данных много, то наблюдаются притормаживания, особенно заметные в динамичных играх. Тут стоит отметить, что, к сожалению, при использовании обычных тестов среднее количество кадров в секунду не всегда корректно отображает именно комфортность игры. В связи с этим мы несколько адаптировали методику, чтобы добиться более правдивых результатов. Но все равно возьмите на заметку: при одинаковом количестве кадров в секунду карта с медленным чипом, но достаточным объемом памяти обеспечивает более комфортную игру, чем ускоритель с быстрым GPU, но малым объемом памяти.

Гораздо хуже, когда видеопамяти не хватает даже для текстур, находящихся в одном кадре. В такой ситуации довольно сильно падает производительность, ведь мы помним, насколько оперативная память медленней графической, а обращаться к ней приходится при прорисовке каждого кадра.

1.2 Практическая часть

1.2.1 Обзор программ для исследования и проектирования элементов электроники

Программа OrCAD предназначена для разработки печатных плат, моделирования цифровых устройств и проектирования программируемых логических интегральных схем.

Общими задачами исследований являются анализ и синтез систем. В процессе анализа система выделяется из среды, определяется ее состав, структуры, функции, интегральные характеристики (свойства), а также системообразующие факторы и взаимосвязи со средой. В процессе создается модель реальной схемы, повышается уровень абстрактного описания схемы, определяется полнота ее состава и структур, базисы описания, закономерности динамики и поведения.

В системном исследовании анализируемый объект рассматривается как определенное множество элементов, взаимосвязь которых обусловливает целостные свойства этого множества. Основной акцент делается на выявлении многообразия связей и отношений, имеющих место как внутри исследуемого объекта. Свойства схемы определяются не только и не столько суммированием свойств его отдельных элементов, сколько свойствами его структуры, особыми системообразующими, интегративными связями рассматриваемого объекта.

Специфика системного исследования определяется не усложнением методов анализа (в известном смысле эти методы могут даже подвергаться упрощению), а выдвижением новых принципов подхода к объекту изучения, новой ориентации всего движения исследователя.

Детальное исследование радиоэлектронных устройств на ЭВМ на уровне принципиальных схем можно провести с помощью этой программы.

Большинство систем проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и контроля электрических параметров.

Пакет OrCAD рекомендуется как более легкое и дешевое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов, моделирования и оптимизации схем по различным критериям: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. Усилены возможности синтеза и моделирования цифровых логических схем модуля NC Sim. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоев, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авто размещения и авто трассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA. Для работы с силовыми цепями используют объединение схемотехнического моделирования в программе OrCAD с функциональным моделированием в программе MATLAB/Simulink.

Protel — комплексная система проектирования высокоскоростных электронных устройств на базе печатных плат. Пользователь работает с единым проектом, который объединяет ПЛИС-под проект, под проект печатных плат, CAM-под проект. Контроль целостности позволяет отслеживать изменения в частях проектами и синхронизировать их. Используя плату отладки NanoBoard (поддерживает ПЛИС Altera, Xilinx, Actel) возможно отлаживать ПЛИС проекты на этапе создания принципиальной схемы.

Редактор принципиальных схем позволяет создать принципиальные схемы с последующей реализацией устройства в виде печатной платы или на базе ПЛИС. Обширные навигационные возможности и мощная система верификации в купе с концепцией многоканальности позволяет довольно просто вести проектирование устройства в любом направлении: сверху вниз или снизу вверх. При этом не нет никаких ограничений на глубины иерархической структуры или числа страниц принципиальной схемы, что позволяет описывать проекты любой сложности.

Многоканальность позволяет многократно использовать единожды созданный фрагмент принципиальной схемы и вносить коррективы в сложные иерархические структуры без «разложения» иерархии. В любой момент возможно поменять число каналов («копий» фрагмента) или внести изменения любые изменения. Поддержка многоканальности и на уровне топологии позволяет четко разделить каналы по комнатам и от трассировать их «подобным» образом.

Высокая эффективность достигается так же за счет простого в использовании и мощного по сути инструментария по размещению электрических связей на любом уровне: от соединения двух компонентов до объединения модулей, причем как с помощью проводников, так и с помощью шин.

Protel позволяет выполнять смешанное моделирование в реальном времени. Запуск цифроаналогового моделирования на базе SPICE происходит непосредственно с введенной принципиальной схемы и дает в распоряжение разработчика мощные средства анализа, включая такие как вариация параметров и статистический анализ методом Монте Карло. Предварительный расчет импедансов и возможных изменений сигналов выполняется на схемотехническом уровне еще до этапа компоновки и трассировки печатной платы, позволяя предотвратить возможные проблемы на ранних стадиях проектирования и правильно подобрать элементную базу.

Целостность сигналов может быть проанализирована при верификации (функция DRC) топологии. В этом случае ограничения на возможные искажения задаются как и прочие правила проектирования (о нарушение которых выдаются соот. сообщения).

В случае обнаружения проблем, связанных с целостностью сигналов, функция Termination Advisor поможет разработчику подобрать необходимую схему согласования для устранения выявленных недостатков.

Protel — первая система проектирования устройств, реализуемых в виде печатной платы, признающая важность и актуальность программируемой логики в современных электронных устройствах. Подобное понимание реализуется в виде обширного инструментария для проектирования устройств на базе ПЛИС, при этом от разработчика не требуется знания языка VHDL — проект может быть введен в виде принципиальной схемы с использованием поставляемых библиотек готовых логических устройств (подобные библиотеки полностью синтезированы и протестированы).

С мощной системы задания правил проектирования и контроля пользователь получает полный контроль над процессом проектирования топологии. Система задания правил проектирования состоят из 49 позиций, разбитых на 10 категорий, включая такие как: привила трассировки, производства, правила проектирования высокочастотных блоков и т. д. Использую технологию запросов пользователь может точно описать область действия того или иного правила, а используя гибкую иерархию можно использовать одно и то же правило на разных уровнях проекта (например, весь проект или класс цепей, или класс компонентов, или цепь проходящая по внутреннему слою и т. д.)

Protel 2004 поставляется с обширнейшими интегрированными библиотеками (в компонент включена вся необходимая информация: УГО, корпус, SPICE 3f5/Xspice-модель, модель для анализа целостности). Поставка включает в себя более 68 000 компонентов. Найти требуемый компонент среди такого обилия помогает гибкая система поиска компонентов, а преемственность снизу-вверх позволяет использовать собственную элементную базу из предыдущих версий.

Protel поддерживает широкий перечень выходных форматов, таких как: ODB++, Gerber, NC Drill, IPC-D-356, VHDL, может генерировать списки соединений в форматах большинства сторонних систем проектирования, а так же генерировать разнообразные отчеты (например, Bill of Materials, на основе которого довольно просто оформить перечни элементов и спецификации по ЕСКД с помощью утилиты Документатор отечественной разработки).

Встроенная и полностью интегрированная с системой проектирования топологии система технологического анализа и предпроизводственной доработки топологий CAMtastic позволяет выполняет 18 разнообразных проверок на технологичность проекта с возможностью автоматического устранения большинства ошибок, мощные средства редактирования фотошаблонов, файлов сверловки и фрезеровки позволяет внести необходимые коррективы.

Среди представленного инструментария присутствует обширный набор функций графического редактирование, создание многоместных шаблонов (в том числе и на основе разных топологий) и т. д.

1.2.2 Исследование видеопамяти с помощью программы Protel

Видеопамять работает циклично, на ее выходе последовательно в порядке сканирования экрана монитора лучом появляются коды, задающие параметры светимости (цвет, яркость) элементарных точек экрана — пикселов. Текущее изображение на мониторе — кадр — представлено последовательностью слов, длина которой равна числу пикселов экрана. Слово, соответствующее одному пикселу, может иметь разрядность от 8 (для черно-белых мониторов) до 24 (для полноцветного режима).

Счетчик адреса необходим для обеспечения циклического доступа к данным. Счетчик имеет модуль, равный числу запоминаемых слов. При считывании после каждого обращения адрес увеличивается на единицу, обеспечивая последовательное обращение ко всем ячейкам ЗУ. При переполнении счетчика формируется сигнал начала кадра для управления монитором (для запуска кадровой синхронизации).

Статические регистры необходимы для хранения и перезаписи данных (рис.15).

При считывании выбран нижний канал мультиплексора MUX и записанные данные постоянно переписываются с выхода на вход цепочки запоминающих элементов. В последовательность данных вводятся специальные коды синхросигналов (кадровых и строчных, но на рис. 15 для пояснения принципа показан только кадровый). Появление кода синхросигнала на выходе обнаруживается компаратором и синхронизирует запуск развертки монитора.