Принципы построения устройств памяти

Памятью МП системы называются совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.

Основными операциями в памяти в общем случае являются занесение информации в память – запись и выборка информации из памяти - считывание. Обе эти операции называются обращением к памяти.

При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой единицы данных – различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, байт, машинное слово, блок данных.

Важнейшими характеристиками памяти являются емкость памяти, быстродействие, организация памяти.

Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Емкость памяти измеряется в двоичных единицах (битах), машинных словах, но большей частью в байтах (1байт = 8бит).

Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, т.е. временем, потраченным на поиск нужной информации в памяти и на ее считывание (время обращения при считывании), или временем на поиск места в памяти для записи информации, и на ее запись в память (время обращения при записи).

Организация памяти определяется количеством и разрядностью хранимых слов (произведение хранимых слов на их разрядность). Например, указание емкости памяти в виде 8К´8 означает, что в памяти емкостью 64Кбит хранятся 8К слов по 8 разрядов.

Память любого типа состоит из запоминающего массива, хранящего информацию, и блоков, служащих для поиска в массиве, записи и считывания информации.

В зависимости от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве различают адресную и стековую память.

В памяти с адресной организацией размещение и поиск информации в запоминающем массиве основаны на использовании адреса хранения слова (числа, команды и т.п.). Адресом служит номер ячейки запоминающего массива, в которой это слова размещается.

При записи/считывании слова в запоминающем массиве инициализирующая эту операцию команда должна указывать адрес (номер) ячейки по которому производится запись/считывание.

Типичная структура адресной памяти, показанная на рисунке 1.5, содержит запоминающий массив из m - разрядных ячеек и его аппаратурное обрамление, включающее в себя дешифраторы строк и столбцов, входные и выходные формирователи, мультиплексор столбцов, схему управления памятью.

Рис.1.5. Структура адресной памяти с произвольным обращением

Входные формирователи преобразуют адресный код во внутренние сигналы управления, которые подаются на дешифраторы строк и столбцов (ДШ строк) и (ДШ столбцов). Дешифраторы строк возбуждают одну из строк, к которой может быть подключено до ячеек памяти. В зависимости от типа запоминающего элемента, используемого в ячейке памяти, на вход мультиплексора столбцов поступают либо логические «0», либо логические «1». Дешифратор столбцов вырабатывает адресный код одного из столбцов, и мультиплексор передает на выходные формирователи информацию, записанную в выбранной ячейке памяти. Схема управления позволяет перевести внутренние блоки памяти в режим малого потребления тока и выходные формирователи – в третье состояние или состояние логической «1».

Адресная память делится на две группы: постоянную (ПЗУ) и оперативную (ОЗУ) или память с произвольной выборкой.

Постоянная память предназначена для хранения программ, констант, таблиц элементарных функций и т.д. Запись в постоянную память производится в процессе ее изготовления или настройки. Содержимое такой памяти либо никогда не изменяется или изменяется, но редко и в специальном режиме. Для рабочего режима это «память только для чтения».

Существуют четыре разновидности ПЗУ:

- масочные ПЗУ, информация в которых записывается в процессе производства;

- однократно программируемые ПЗУ (ППЗУ), информация в которых может быть записана пользователем или в процессе производства;

- стираемые ППЗУ (СППЗУ), информация в которых может быть записана и стираема пользователем. Данные, расположенные в СППЗУ могут быть стерты ультрафиолетовым облучением;

- стираемые ППЗУ (ЭСППЗУ), информация в которых может быть записана и стираема пользователем. Данные, расположенные в ЭСППЗУ могут быть стерты электрическими сигналами.

Оперативная память предназначена для хранения данных и программ, участвующих в текущих вычислениях, а также промежуточных и конечных результатов обработки. Оперативная память делится на две группы:

- статическое ОЗУ содержит в качестве элементарных ячеек памяти триггеры, сохраняющие свое состояние до тех пор, пока схема находится под питанием, и нет новой записи данных;

- динамическое ОЗУ основано на свойствах электрической емкости. Данные в них хранятся в виде зарядов на конденсаторах, образуемых элементами МОП - структур. Саморазряд конденсатора ведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться.

Стековая память, реализует безадресное задание операндов. В общем случае стек представляет собой группу последовательно пронумерованных регистров (аппаратурный стек) или ячеек памяти, снабженных указателем стека (обычно регистром) (УС), в котором автоматически при записи и считывании устанавливается номер (адрес) последней занятой ячейки стека («вершины стека»). При операции помещения в стек слово помещается в следующую по порядку свободную ячейку стека, а при считывании из стека – извлекается последнее, поступившее в него слово. Таким образом, в стеке реализуется дисциплина обслуживания «последний пришел – первый вышел». Эта дисциплина при обращении к стеку реализуется автоматически. Поэтому при операциях со стеком возможно безадресное задание операнда – команда не содержит адреса ячейки стека, но содержит адрес ячейки памяти или регистра, откуда слово передается в стек или куда загружается из стека.

Механизм стековой адресации поясняется на рисунке 1.6. При выполнении команды передачи в стек слова из регистра или ячейки оперативной памяти сначала указатель стека увеличивается на 1, а затем слово помещается в ячейку стека, указанную УС. При команде загрузки из стека регистра или ячейки памяти сначала слово извлекается из вершины стека, а затем указатель стека уменьшается на 1.

Рисунок 1.6. Стековая адресация

а, в – исходное состояние стека; б – стек после выполнения команды «Заслать в стек»;

г – стек после выполнения команды «Загрузить из стека»

В современной архитектуре процессоров и микропроцессоров стек и стековая адресация широко используется при организации переходов к подпрограммам и возврат из них, а также в системах прерывания.