Назначение, характеристики, типы запоминающих устройств и основные принципы их построения

Запоминающие устройства (ЗУ) обеспечивают фиксацию, хранение и выдачу информации в процессе работы ВМ. Обычно фиксацию информации называют записью, а выдачу информации – чтением (считыванием). Как запись, так и чтение являются процессами обращения к ЗУ.

Каждому типу ЗУ присущи некоторые наиболее важные характеристики, которые определяют его потенциальные возможности и эффективность применения в том или ином конкретном функциональном качестве. К таким характеристикам ЗУ прежде всего относятся:

1) емкость хранения информации;

2) быстродействие ЗУ при операциях записи-чтения;

3) удельная стоимость хранения единицы информации.

Емкость хранения информациив ЗУ определяется числом битов либо байтов, которое может хранить­ся в данном запоминающем устройстве. Чаще всего значение емкости ЗУ относительно велико, поэтому оно измеряется в производных единицах: Кбайт, Мбайт, Гбайт и т.д.

При оценке быстродействияЗУ необходимо учитывать применяемый в данном типе ЗУ метод доступа к данным. Различают четыре основных метода доступа: последовательный, прямой, произвольный и ассоциативный.

ЗУ с последовательным методом доступа ориентировано на хранение информации в виде последовательности блоков данных, называе­мых записями. Для доступа к нужному элементу (слову или байту) необходи­мо прочитать все предшествующие ему данные. Время доступа зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе ин­формации и позиции элемента внутри данной записи. Примером может слу­жить ЗУ на магнитной ленте.

При прямом методе доступа каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее фи­зическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи с последующим последовательным досту­пом к определенной единице информации внутри записи. В результате время доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой ре­жим характерен для магнитных дисков.

При произвольном методе доступа каждая ячейка памяти имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может произ­водиться в произвольной очередности. Примером могут служить запоминаю­щие устройства основной памяти.

Ассоциативный метод доступа позволяет выполнять поиск ячеек, содержащих такую информацию, в которой значение отдельных битов совпа­дает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуще­ствляется параллельно для всех ячеек памяти, независимо от ее емкости. По ассоциативному принципу построены некоторые устройства кэш-памяти.

Для коли­чественной оценки быстродействияобычно используют три параметра. Первый из них – время доступа. Для памяти с произвольным доступом оно соответствует интервалу времени от момента поступления адреса до момента, когда данные заносятся в память или становятся доступными. В ЗУ с подвижным носителем информации – это время, затрачиваемое на установку головки записи/чтения (или носителя) в нужную позицию. Второй параметр – длительность цикла памяти или период обращения. Это понятие применяет­ся к памяти с произвольным доступом, для которой оно означает минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти. Период обра­щения включает в себя время доступа плюс некоторое дополнительное время. Дополнительное время может требоваться для затухания сигналов на линиях, а в некоторых типах ЗУ, где считывание информации приводит к ее разруше­нию, – для восстановления считанной информации. Третий параметр – это скорость передачи, с которой данные могут передаваться в па­мять или из нее.

Удельная стоимость хранения единицы информации принято оценивать отношением общей стоимости ЗУ к его ем­кости в битах или байтах, то есть стоимостью хранения одного бита или байта информации.

Наиболее распространены три технологических типа запоминающих устройств, отличающихся использованием разных физических принципов записи, хранения и считывания информации. Это ЗУ на электронных микросхемах, ЗУна магнитных носителях информации (магнитные диски, ленты, карты) и ЗУна оптических носителях информации (оптические диски разных модификаций).

Важнейшей характеристикой любого типа ЗУ является такое его физическое свойство, как энергозависимость либо энергонезависимость. В энергозависимой памяти информация может быть искажена или потеряна при отключении источника пи­тания. В энергонезависимых ЗУ записанная информация сохраняется и при от­ключении питающего напряжения. Магнитная и оптическая память – энергоне­зависимы. Память на электронных микросхемах может быть как энергозависимой, так и нет, в зависимости от ее типа. Помимо энергозависимости следует также учитывать, приводит ли считывание информации к ее разрушению или нет.

Основными типами энергозависимой памяти на электронных микросхемах являются статическая память (Static RAM – SRAM) и динамическая память (Dynamic RAM – DRAM). Исторически сложившееся использование аббревиатура RAM – Random Access Memory («память с произвольным доступом») для именования именно этих типов памяти не совсем корректно, поскольку па­мятью с произвольным доступом являются также и другие типы памяти, в частности, энергонезависимые типы ЗУ (см. далее).

Запоминающим элементом в статической памяти является электронная схема, обычно со­стоящая из четырех или шести транзисторов и называемая триггером. Такой триггер имеет два устойчивых состояния, соответствующих значению бита информации (0 или 1). Любое из состояний триггера сохраняется до тех пор, пока подается питание. Схема с четырьмя транзи­сторами обеспечивает большую емкость всей микросхемы памяти в целом, а следовательно, меньшую стоимость, однако у такой схемы относительно большой ток утечки в режиме хранения информации. Кроме того триггер на четырех транзисторах более чувствителен к воздей­ствию внешних источников излучения, которые могут стать причиной потери ин­формации. Наличие двух дополнительных транзисторов позволяет в определенной мере компенсировать указанные недостатки схемы на четырех транзисторах и, глав­ное, увеличить быстродействие памяти.

Запоминающий элемент динамической памяти состо­ит из одного миниатюрного конденсатора, управляемого одним или двумя транзисторами. Значение бита информации (0 или 1) в таком элементе определяется наличием или отсутствием заряда на конденсаторе. Простота схемы позволяет достичь высокой плотности размеще­ния запоминающих элементов на микросхеме памяти и, в итоге, снизить ее стоимость. Главный недостаток подобной технологии связан с тем, что накапливаемый на конденсаторе заряд со временем теряется. Поэтому требуется периодическое восстановление заряда, которое называется регенерацией. Время срабатывания триггера в современных микросхемах составляет единицы наносекунд. Быстродействие динамической памяти ниже из-за необходимости ожидания накопления (стекания) заряда на пластинах конденсатора. Однако плотность компоновки ячеек DRAM по сравнению с ячейками SRAM существенно выше, а стоимость производства ниже.

Энергонезависимые способы хранения информации на основе электронных микросхем прошли значительную эволюцию своего развития и совершенствования. Микросхемы энергонезависимой памяти относят к классу микросхем типа ROM (Read-Only Memory – «память только для чтения»). Однако, как будет следовать из дальнейшего изложения, название такой памяти – «память только для чтения» – также не является полностью корректным, потому что современные типы микросхем типа ROM допускают достаточно простые способы записи и изменения хранящейся информации. Микросхемы типа ROM по возможностям и способу программирования разделяют на программируемые при изготовлении, однократно программируемые после изготовленияи многократно программируемые.

К микросхемам, программируемым при изготовлении, относятся микросхемы, часто именуемые MROM (MaskProgrammable ROM – «память только для чтения, программируемая с помощью маски»). Занесение информации в масочные микросхемы составляет часть производственного процесса и заключается в подключении или неподключении запоминающего эле­мента к разрядной линии считывания. В зависимости от этого из запоминающего эле­мента будет извлекаться 1 или 0. В роли перемычки выступает транзистор, расположенный на пересечении адресной и разрядной линий. Какие именно запоминающие эле­менты должны быть под­ключены к выходной линии, определяет маска, «закрывающая» определенные уча­стки кристалла. В настоящее время масочные микросхемы – это один из наиболее дешевых видов ROM. Для них характерна высокая плотность упа­ковки запоминающих эле­ментов на кристалле и высокие скорости считывания информации. Основной сферой применения масочных микросхем являются устройства, требующие хранения фиксированной информации. Например, они часто используют для хранения шрифтов в печатающих устройствах.

Среди микросхем, однократно программируемых после изготовления,исторически первыми и наиболее распространенными стали микросхемы памяти PROM (Programmable ROM – «программиру­емая память только для чтения») на базе плавких предохранителей. В исходной микросхеме во всех узлах адресные линии соединены с разрядными. Занесение информации в PROM производится электрически, путем пережигания отдельных перемычек, и может быть выполнено поставщиком или потребителем спустя ка­кое-то время после изготовления микросхемы. Позже появились микросхемы, в которых в перемычку входили два диода, соединенные навстречу. В процессе программирования удалить перемычку можно было с помощью электрического пробоя одного из этих диодов. В любом варианте для записи информации требуется специальное оборудование – програм­маторы.

Класс многократно программируемых микросхемсостоит из нескольких групп устройств. Обычно выделяют группы микросхем EPROM, UV-EPROM, EEPROM и так называемую флэш-память.

Микросхема памяти EPROM (Erasable Programmable ROM – «многократно программируемая память только для чтения») была основана на транзисторах типа МОП (металл – оксид – полупроводник). Запись данных в ячейки такого транзистора производилась путем облучения рентгеновскими лучами, который давал возможность неоднократно перезаписывать данные памяти, хотя количество циклов было ограниченным.

В микросхемах UV-EPROM (Ultra-Violet Erasable Programmable ROM – «программируемая память только для чтения, стираемая ультрафиолетовыми лучами») запись информации производится электри­ческими сигналами, однако перед операцией записи содержи­мое всех ячеек должно быть приведено к одинаковому состоянию (стерто) путем воздействия на микросхему ультрафиолетовым облучением. Микросхема помещается в керамический корпус, имеющий кварцевое окно, через которое и про­изводится ультрафиолетовое облучение. Чтобы предотвратить случайное стирание информации, пос­ле облучения кварцевое окно заклеивают непрозрачной пленкой. Процесс стира­ния может выполняться многократно. Заряженный запоминающий элемент соответ­ствует двоичному нулю, а разряженный – единице. Цикл программирования занимает несколько сотен миллисекунд. По сравнению с PROM микросхемы EPROM дороже, но возможность много­кратного перепрограммирования часто является определяющей.

Более привлекательным вариантом многократно про­граммируемой памяти является электрически стираемая программируемая посто­янная память EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM – «электрически стираемая программируемая память только для чтения»). Стирание и запись информации в эту память производятся побайтово, причем стирание – не отдельный процесс, а лишь этап, происходящий автоматически при записи. Операция записи занимает существенно больше вре­мени, чем считывание – несколько сотен микросекунд на байт. В микросхеме ис­пользуется тот же принцип хранения информации, что и в EPROM. Программи­рование EEPROM не требует специального программатора и реализуется средствами самой микросхемы. Выпускаются два варианта микросхем: с последовательным и параллельным доступом, причем на долю первых приходится 90% всего выпуска микросхем этого типа. В EEPROM с доступом по последовательному каналу (SEEPROM – Serial EEPROM) адреса, данные и управляющие команды передаются по одному проводу и синхронизируются импульсами на тактовом входе. Преимуществом SEEPROM являются малые габариты и минимальное число линий ввода/вывода, а недостат­ком – большое время доступа. В целом EEPROM дороже, чем UV-EPROM, а микросхемы имеют менее плотную упаковку ячеек, то есть меньшую емкость.

Флэш-память– разновидность энергонезависимой перезаписывае­мой памяти на электронных микросхемах. Она впервые анон­сирована в середине 1980-х годов корпорацией Toshiba, а затем и корпорация Intel выпустила свой вариант флэш-памяти, после чего начался интенсивный процесс развития этого вида памяти.

В настоящее время выпускается два основных типа флэш-памяти: NOR (логика ячеек NOT OR) и NAND (ло­гика ячеек NOT AND). В качестве элементарных запоминающих ячеек во флэш-памяти используются транзисторы (один или два), которые подключены к разрядным шинам в памяти типа NOR параллельно, а в памяти типа NAND – последовательно. Идея хранения данных основана на том, что такой транзистор способен со­хранять заряд, соответственно позволяя определить его на­личие или отсутствие и таким образом кодировать двоичную информацию. При записи заряд помещается на управляющий затвор транзистора (посредством переноса электронов или с использовани­ем квантово-механических эффектов туннелирования – это зависит от типа памяти). Слово «флэш» (flash) в названии памяти скорее всего возникло из-за того, что операция записи требует подачи на сток и управляю­щий затвор транзистора высокого напряжения (отсюда flash, которое можно перевести как «молния», «вспышка»). Электроны с энергией, достаточной для преодоления потен­циального барьера, создаваемого пленкой диэлектрика, пе­реносятся на затвор, тем самым изменяя вольт-амперные характеристики транзистора. Аналогично, при сти­рании высокое напряжение подается на исток.

При организации логической схемы типа NOR требуется контакт на каждом транзисторе, а в схеме NAND используется контактная матрица. Благодаря этому схема NAND позволяет определить не только наличие или отсутствие заряда в ячейке, но и допускает измерение его величины, что дает возможность хранения двух битов информации в одном транзисторе (так называемые мно­гоуровневые ячейки). Teoретически возможно хранение даже трех и более битов (извест­ны образцы схем, хра­нящие до 8 бит), но на практике изготовление таких микро­схем сопряжено с рядом технологических сложностей. Кро­ме того, хотя такой подход дает возможность снизить удель­ную стоимость хранения данных, он требует усложнения контроллеров и памяти. Память типа NOR обеспечивает возможность произволь­ного чтения-записи данных (вплоть до отдельных байтов) и быстрое считывание, но при этом относительно медлен­ные схемы записи и стирания. Кроме того, такая память имеет довольно крупные ячейки (так как к каждой необходимо под­вести контакт), что вызывает закономерные сложности в из­готовлении и повышении емкости. Память типа NAND обеспечивает блочный доступ, быст­рые процедуры стирания и записи, дешевизну и простоту наращивания емкости модулей. Данные на флэш-памяти NAND считываются поблочно. Размер единичного блока варьируется от 256 байт до 256 Кбайт, практически все со­временные микросхемы позволяют работать с блоками раз­ного размера. Эта схема значи­тельно снижает скорость записи небольших объемов данных в произвольные области памяти, но в то же время и увели­чивает быстродействие при последовательной записи боль­ших массивов данных. Благодаря блочной организации флэш-памяти NAND она дешевле сопоставимой по емкости памяти других типов.

Процедуры записи-стирания вызывают интенсивный износ ячейки флэш-памяти, именно поэтому у та­ких микросхем ограничен ресурс циклов перезаписи (хотя он и относительно значительный – порядка миллионов циклов). Однако технологии производства флэш-памяти постоянно совершенствуются, внедряются оптимизирующие способы записи микросхемы, а также алгоритмы, направленные на равномерное использование всех ячеек в процессе работы. С учетом того, что во флэш-памяти достигается более высокая плотность размещения информации на кристалле, чем в памяти типа DRAM (на 30% и более), при достижении более высоких сроков службы флэш-память может заменить память DRAM во многих сферах применения последней.

Хотя флэш-память и лидирует на компьютерном рынке, ее могут вытеснить другие новые технологии, например, новейшая память на кремниевых нанокристаллах с повышенной степенью надежности.

В запоминающих устройствах на магнитных носителяхинформация записывается и считывается с поверхности специального носителя (диска, ленты, карты), покрытого магнитным слоем. Запись и чтение производятся так называемыми магнитными головками, представляющими собой электромагниты с сердечником и обмоткой, по которой пропускается электрический ток. До записи информации ориентация на носителе элементарных магнитных участков (диполей или доменов) хаотичная, усредненное значение магнитной индукции на всех участках носителя близко к нулю. Информация записывается на магнитный слой с помощью электромагнитных импульсов нужной полярности, генерируемых током в обмотке головки. Головка намагничивает находящийся непосредственно под ней участок магнитного слоя носителя, изменяя таким образом вектор его намагниченности. После записи ориентация диполей становится упорядоченной. Диполи с противоположными направлениями векторов намагниченности интерпретируются соответственно как 0 или 1. Эта же головка используется и для чтения информации. В этом случае изменение магнитного поля вблизи головки, вызываемое движением носителя информации, индуцирует напряжение в обмотке. Управляющие схемы фиксируют полярность этого напряжения, определяют состояние магнитного покрытия диска и декодируют ранее записанную информацию. В штатном режиме считывание происходит без разрушения информации и может выполняться многократно. Перемагничивание участков магнитного слоя может происходить лишь в том случае, если магнитное поле в них преодолеет некоторый порог (так называемую коэрцитивную силу), свойственный данному носителю. Этот режим обеспечивается при новой записи или при намеренном удалении («стирании») информации. Информация на магнитных носителях сохраняется энергонезависимо и долговременно.

Следует отметить, что при чтении данных фиксируются только изменения магнитного поля под головкой. Если двоичные значения 0 и 1 представлены двумя противоположными состояниями намагниченности, то напряжение в головке индуцируется только при переходе от 0 к 1 или от 1 к 0. Однако если на носителе хранится строка последовательных нулей или единиц, напряжение индуцируете только в начале и конце этой строки. Для определения количества последовательно расположенных нулей или единиц используется специальная синхронизирующая информация, позволяющая отсчитать количество позиций, которые имеют одинаковое направление намагниченности. На практике применяются различные по сложности и эффективности схемы кодирования, синхронизации и декодирования информации при чтении. Их рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия.

В запоминающих устройствах на оптических носителяхинформация записывается и считывается лазерным лучом с поверхности так называемого оптического диска. Информация в двоичном представлении трактуется как изменения геометрических или структурных характеристик рабочей поверхности диска, а именно наличия участков поверхности с углублениями – «питами» (от «pits» – «впадины») или оптически более темных и оптически более светлых участков поверхности. При записи информации такие участки специально формируются лазерным лучом высокой интенсивности. При чтении на поверхность диска направляется менее интенсивный лазерный луч, который по-разному отражается при сканировании непрерывных участков поверхности диска и границ между этими участками. Отраженный луч фокусируется в фотодетекторе, который и фиксирует записанные на диске двоичные данные. Информация на оптических носителях хранится энергонезависимо в течение относительно продолжительного этапа времени.