Организация шин

Шина - это набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел.

Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей.

Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать:

· совокупность сигнальных линий;

· физические, механические и электрические характеристики шины;

· используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;

· правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

Операции на шине называют транзакциям и. Основные виды транзакций - транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно.

Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущими (bus master). Ведущий - это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них (если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются). Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины Допускают широковещательный режим записи, когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Арбитраж шины обычно реализуется на основе приоритетов претендентов. Ппотенциальному ведущему присваивается определенный уровень приоритета, который может оставаться неизменным (статический или фиксированный приоритет), либо изменяться по какому-либо алгоритму (динамический приоритет).

Основной недостаток статических приоритетов в том, что устройства, имеющие высокий приоритет, в состоянии полностью блокировать доступ к шине устройств с низким уровнем приоритета. Системы с динамическими приоритетами дают шанс каждому из запросивших устройств рано или поздно получить право на управление шиной, то есть в таких системах реализуется принцип равнодоступности.

Наибольшее распространение получили следующие алгоритмы динамического изменения приоритетов:

· простая циклическая смена приоритетов;

· циклическая смена приоритетов с учетом последнего запроса;

· смена приоритетов по случайному закону;

· схема равных приоритетов;

· алгоритм наиболее давнего использования.

В алгоритме простой циклической смены приоритетов после каждого цикла арбитража все приоритеты понижаются на один уровень, при этом устройство, имевшее ранее низший уровень приоритета, получает наивысший приоритет.

В схеме циклической смены приоритетов с учетом последнего запроса все возможные запросы упорядочиваются в виде циклического списка. После обработки очередного запроса обслуженному ведущему назначается низший уровень приоритета. Следующее в списке устройство получает наивысший приоритет, а остальным устройствам приоритеты назначаются в убывающем порядке, согласно их следованию в циклическом списке.

При смене приоритетов по случайному закону после очередного цикла арбитража с помощью генератора псевдослучайных чисел каждому ведущему присваивается случайное значение уровня приоритета.

В схеме равных приоритетов при поступлении к арбитру нескольких запросов каждый из них имеет равные шансы на обслуживание. Возможный конфликт разрешается арбитром. Такая схема принята в асинхронных системах.

В алгоритме наиболее давнего использования (LRU, Least Recently Used) после каждого цикла арбитража наивысший приоритет присваивается ведущему, который дольше чем другие не использовал шину.

Помимо рассмотренных существует несколько алгоритмов смены приоритетов, которые не являются чисто динамическими, поскольку смена приоритетов происходит не после каждого цикла арбитража. К таким алгоритмам относятся:

· алгоритм очереди (первым пришел — первым обслужен);

· алгоритм фиксированного кванта времени.

В алгоритме очереди запросы обслуживаются в порядке очереди, образовавшейся к моменту начала цикла арбитража. Сначала обслуживается первый запрос в очереди, то есть запрос, поступивший раньше остальных.

В алгоритме фиксированного кванта времени каждому ведущему для захвата шины в течение цикла арбитража выделяется определенный квант времени. Если ведущий в этот момент не нуждается в шине, выделенный ему квант остается неиспользованным. Такой метод наиболее подходит для шин в синхронных системам.

Арбитраж запросов на управление шиной может быть организован по централизованной или децентрализованной схеме. Выбор конкретной схемы зависит от требований к производительности и стоимостных ограничений.

При централизованном арбитраже в системе имеется специальное устройство - центральный арбитр, - ответственное за предоставление доступа к шине только одному из запросивших ведущих. Это устройство, называемое иногда центральным контроллером шины, может быть самостоятельным модулем или частью процессора. Наличие на шине только одного арбитра означает, что в централизованной схеме имеется единственная точка отказа. В зависимости от того, каким образом ведущие устройства подключены к центральному арбитру, возможные схемы централизованного арбитража можно подразделить на параллельные и последовательные.

В параллельном варианте центральный арбитр связан с каждым потенциальным ведущим индивидуальными двухпроводными трактами. Поскольку запросы к центральному арбитру могут поступать независимо и параллельно, данный вид арбитража называют централизованным параллельным арбитражем или централизованным арбитражем независимых запросов.

Идею централизованного параллельного арбитража на примере восьми ведущих устройств иллюстрирует рис. 4.55.

Рис. 4.55. Централизованный параллельный арбитраж

Здесь и далее под «текущим ведущим» будем понимать ведущее устройство, управляющее шиной в момент поступления нового запроса. Устройство, выставившее запрос на управление шиной, будем называть «запросившим ведущим». Сигналы запроса шины (ЗШ) поступают на вход центрального арбитра по индивидуальным линиям. Ведущему с номером i, который был выбран арбитром, также по индивидуальной линии возвращается сигнал предоставления шины (ПШ_i). Реально же занять шину новый ведущий сможет лишь после того, как текущий ведущий (пусть он имеет номер j) снимет сигнал занятия шины (ШЗ). Текущий ведущий должен сохранять сигналы ШЗ и ЗШ_j активными в течение всего времени, пока он использует шину. Получив запрос от ведущего, приоритет которого выше, чем у текущего ведущего, арбитр снимает сигнал ПШ_j на входе текущего ведущего и выдает сигнал предоставления шины ПШ_i запросившему ведущему. В свою очередь, текущий ведущий, обнаружив, что центральный арбитр убрал с его входа сигнал ПШ_j, снимает свои сигналы ШЗ и ЗШ_j после чего запросивший ведущий может перенять управление шиной. Если в момент пропадания сигнала ПШ на шине происходит передача информации, текущий ведущий сначала завершает передачу и лишь после этого снимает свои сигналы.

Схема централизованного параллельного арбитража очень гибка - вместо статических приоритетов допускается использовать любые варианты динамической смены приоритетов. Благодаря наличию прямых связей между центральным арбитром и ведущими схема обладает высоким быстродействием, однако именно непосредственные связи становятся причиной повышенной стоимости реализации. В параллельных схемах затруднено подключение дополнительных устройств. Обычно максимальное число ведущих при параллельном арбитраже не превышает восьми. У схемы есть еще один существенный недостаток - сигналы запроса и подтверждения присутствуют только на индивидуальных линиях и не появляются на общих линиях шины, что затрудняет диагностику.

Второй вид централизованного арбитража известен как централизованный последовательный арбитраж. В последовательных схемах для выделения запроса с наивысшим приоритетом используется один из сигналов, поочередно проходящий через цепочку ведущих, чем и объясняется другое название - цепочечный или гирляндный арбитраж. В дальнейшем будем полагать, что уровни приоритета ведущих устройств в цепочке понижаются слева направо.

В зависимости от того, какой из сигналов используется для целей арбитража, различают три основных типа схем цепочечного арбитража:

с цепочкой для сигнала предоставления шины;

с цепочкой для сигнала запроса шины;

с цепочкой для дополнительного сигнала разрешения.

Наиболее распространена схема цепочки для сигнала ПШ (рис. 4.56).

Рис. 4.56. Централизованный последовательный арбитраж с цепочкой для сигнала предоставления шины

Запросы от ведущих объединяются на линии запроса шины по схеме «монтажного ИЛИ». Аналогично организована и линия, сигнализирующая о том, что шина в данный момент занята одним из ведущих. Когда один или несколько ведущих выставляют запросы, эти запросы транслируются на вход центрального арбитра. Получив сигнал ЗШ, арбитр анализирует состояние линии занятия шины, и если шина свободна, формирует сигнал ПШ. Этот сигнал последовательно проходит по цепочке от одного ведущего к другому. Если устройство, на который поступил сигнал ПШ, не запрашивало шину, оно просто пропускает сигнал дальше по цепочке. Когда ПШ достигнет самого левого из запросивших ведущих, последний блокирует дальнейшее распространение сигнала ПШ по цепочке и берет управление шиной на себя.

Цепочечная реализация предполагает статическое распределение приоритетов Наивысший приоритет имеет ближайшее к арбитру ведущее устройство (устройство, на которое арбитр выдает сигнал ПШ). Далее приоритеты ведущих в цепочке последовательно понижаются.

Основное достоинство цепочечного арбитража заключается в простоте реализации и в малом количестве используемых линий. Последовательные схемы арбитража позволяют легко наращивать число устройств, подключаемых к шине.

Схеме, тем не менее, присущи существенные недостатки. Прежде всего, последовательное прохождение сигнала по цепочке замедляет арбитраж, причем время арбитража растет пропорционально длине цепочки. Статическое распределение приоритетов может привести к полному блокированию устройств с низким уровнем приоритета (расположенных в конце цепочки). Наконец, как и параллельный вариант, централизованный последовательный арбитраж не очень удобен в плане диагностики работы шины.

При децентрализованном или распределенном арбитраже единый арбитр отсутствует. Вместо этого каждый ведущий содержит блок управления доступом к шине, и при совместном использовании шины такие блоки взаимодействуют друг с другом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. По сравнению с централизованной схемой децентрализованный арбитраж менее чувствителен к отказам претендующих на шину устройств.

Под децентрализованный арбитраж может быть модифицирована схема, приведенная на рис. 4.56. Подобный вариант, называемый кольцевой схемой, показан на рис. 4.57.

Рис. 4.56. Кольцевая схема

Здесь сигнал может возникать в различных точках цепочки, замкнутой в кольцо. Переход к новому ведущему сопровождается циклической сменой приоритетов. В следующем цикле арбитража текущий ведущий будет иметь самый низкий уровень приоритета. Соседний ведущий справа получает наивысший приоритет, а далее каждому устройству в кольце присваивается уровень приоритета на единицу меньше, чем у соседа слева. Иными словами, реализуется циклическая смена приоритетов с учетом последнего запроса.

Текущий ведущий, управляющий шиной, генерирует сигнал ПШ, который проходит через все ведущие устройства, не запросившие шину. Ведущий, сформировавший запрос и имеющий на входе активный сигнал ПШ, запрещает прохождение этого сигнала далее по цепочке, но не может взять на себя управление шиной до момента ее освобождения текущим ведущим. Когда текущий ведущий обнаруживает, что «потерял» сигнал ПШ на своем входе, он обязан при первой возможности освободить шину и снять сигнал занятия шины.

Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить:

· шины «процессор-память»;

· шины ввода/вывода;

· системные шины.

Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между процессором вычислительной машины и основной памятью. Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания такой шины, то есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей.

Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с вариантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой.

Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной (backplane bus), хотя эти термины нельзя считать строго эквивалентными. Системная шина в состоянии содержать несколько сотен линий. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы: шину данных (ШД), шину адреса (ША) и шину управления (ШУ). К последней обычно относят также линии для подачи питающего напряжения на подключаемые к системной шине модули.

В некоторых ВМ шины адреса и данных объединены в единую мультиплексируемую шину адреса/данных. Такая шина функционирует в режиме разделения времени, поскольку цикл шины разбит на временной интервал для передачи адреса и временной интервал для передачи данных.

Мультиплексирование адресов и данных предполагает наличие мультиплексора на одном конце тракта пересылки информации и демультиплексора на его другом конце.

Мультиплексирование позволяет сократить общее число линий, но требует усложнения логики связи с шиной. Кроме того, оно ведет к потенциальному снижению производительности, поскольку исключает возможность параллельной передачи адресов и данных, что можно было бы использовать в транзакциях записи, одновременно выставляя на ША адрес, а на ШД - записываемое слово.

Если к шине подключено большое число устройств, ее пропускная способность падает, поскольку слишком частая передача прав управления шиной от одного устройства к другому приводит к ощутимым задержкам. По этой причине во многих ВМ предпочтение отдается использованию нескольких шин, образующих определенную иерархию:

· ВМ с одной шиной (системная шина);

· ВМ с двумя видами шин (комбинация шины «процессор-память» с шинамиввода/вывода);

· ВМ с тремя видами шин (комбинация шины «процессор-память», шины расширения и шинввода/вывода).

В структурах взаимосвязей с одной шиной имеется одна системная шина, обеспечивающая обмен информацией между процессором и памятью, а также между УВВ, с одной стороны, и процессором либо памятью - с другой (рис. 4.57).

Рис. 4.57. ВМ с одной шиной

Для такого подхода характерны простота и низкая стоимость. Однако одношинная организация не в состоянии обеспечить высокие интенсивность и скорость транзакций, причем «узким местом» становится именно шина.

ВМ с двумя видами шин реализуется подсоединением к системной шине одной или нескольких шин ввода/вывода (рис. 4.58). УВВ подключаются к шинам ввода/вывода, которые берут на себя основной трафик, не связанный с выходом на процессор или память. Адаптеры шин обеспечивают буферизацию данных при их пересылке между системной шиной и контроллерами УВВ. Это позволяет ВМ поддерживать работу множества устройств ввода/вывода и одновременно «развязать»" обмен информацией по тракту процессор-память и обмен информацией с УВВ.

Рис. 4.58. ВМ с двумя видами шин

Подобная схема существенно снижает нагрузку на скоростную шину «процес­сор-память» и способствует повышению общей производительности ВМ.

ВМ с тремя видами шин получается путем добавлена высокоскоростная шина расширения для подключения быстродействующих периферийных устройств (рис. 4.59).

Рис. 4.59. ВМ с тремя видами шин

Шины ввода/вывода подключаются к шине расширения, а уже с нее через адаптер к шине «процессор-память». Схема еще более снижает нагрузку на шину «процессор-память». Такую организацию шин называют архитектурой с «пристройкой» (mezzanine architecture).

Память

В любой ВМ, вне зависимости от ее архитектуры, программы и данные хранятся в памяти. Функции памяти обеспечиваются запоминающими устройствами, предназначенными для фиксации, хранения и выдачи информации в процессе работы ВМ. Процесс фиксации информации в ЗУ называется записью, процесс выдачи информации - чтением или считыванием, а совместно их определяют как процессы обращения к ЗУ.

Перечень основных характеристик, которые необходимо учитывать, рассматривая конкретный вид ЗУ, включает в себя:

· место расположения;

· емкость;

· единицу пересылки;

· метод доступа;

· быстродействие;

· физический тип;

· физические особенности;

· стоимость.

По месту расположения ЗУ разделяют на процессорные, внутренние и внешние. Наиболее скоростные виды памяти (регистры, кэш-память первого уровня) обычно размещают на общем кристалле с процессором, а регистры общего назначения вообще считаются его частью. Вторую группу (внутреннюю память) образуют ЗУ, расположенные на системной плате. К внутренней памяти относят основную память, а также кэш-память второго и последующих уровней (кэш-память второго уровня может также размещаться на кристалле процессора). Медленные ЗУ большой емкости (магнитные и оптические диски, магнитные ленты) называют внешней памятью, поскольку к ядру ВМ они подключаются аналогично устройствам ввода/вывода.

Емкость ЗУ характеризуют числом битов либо байтов, которое может хранится в запоминающем устройстве. На практике применяются более крупные единицы, а для их обозначения к словам «бит» или «байт» добавляют приставки: кило мега, гига, тера, пета, экза (kilo, mega, giga, tera, peta, exa). Стандартно эти приставки означают умножение основной единицы измерений на 10³, 10⁶, 10⁹, 10¹², 10¹⁵ и 10¹⁸ соответственно.

Важной характеристикой ЗУ является единица пересылки. Для основной памяти единица пересылки определяется шириной шины данных, то есть количеством битов, передаваемых по линиям шины параллельно. Обычно единица пересылки равна длине слова, но не обязательно. Применительно к внешней памяти, данные часто передаются единицами, превышающими размер слова, и такие единицы называются блоками.

При оценке быстродействия необходимо учитывать применяемый в данном типе ЗУ метод доступа к данным. Различают четыре основных метода доступа:

1) Последовательный доступ. ЗУ с последовательным доступом 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.

2) Прямой доступ. 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 peжим характерен для магнитных дисков.

3) Произвольный доступ. 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.

4) Ассоциативный доступ. Этот вид 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 блоки кэш-памяти.

Быстродействие ЗУ является одним из важнейших его показателей. Для количественной оценки быстродействия обычно используют три параметра:

1) 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/считывания (или носителя) в нужную позицию.

2) Д лительность цикла памяти или период обращения. 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.

3) Скорость передачи. Это скорость, с которой данные могут передаваться в память или из нее.

Говоря о физическом типе запоминающего устройства, необходимо упомянуть три наиболее распространенных технологии ЗУ - это полупроводниковая память, память с магнитным носителем информации, используемая в магнитных дисках и лентах, и память с оптическим носителем - оптические диски.

В зависимости от примененной технологии следует учитывать и ряд физических особенностей ЗУ, например энергозависимость. 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. Полупроводниковая память может быть как энергозависимой, так и нет, в зависимости от ее типа. Помимо энергозависимости нужно учитывать, приводит ли считывание информации к ее разрушению.

Стоимость ЗУ принято оценивать отношением общей стоимости ЗУ к его емкости в битах, то есть стоимостью хранения одного бита информации.

Основная память представляет собой единственный вид памяти, к которой процессор может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры центрального процессора). Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память.

Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом.

Следствием огромных успехов в области полупроводниковых технологий стало изменение элементной базы основной памяти. На смену ЗУ на базе ферромагнитных колец пришли полупроводниковые микросхемы, использование которых в наши дни стало повсеместным.

В полупроводниковых ЗУ применяются запоминающие элементы на основе: биполярных транзисторов; приборов со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП-транзисторов); приборов со структурой «металл-нитрид-окисел-полупроводник» (МНОП); приборов с зарядовой связью (ПЗС); МОП-транзисторов с изолированным затвором и др.

Как уже отмечалось, основная память может включать в себя два типа устройств: оперативные запоминающие устройства и постоянные запоминающие устройства.

Преимущественную долю основной памяти образует ОЗУ. В англоязычной литературе ОЗУ соответствует аббревиатура RAM - Random Access Memory, то есть «память с произвольным доступом», что не совсем корректно, поскольку памятью с произвольным доступом являются также ПЗУ и регистры процессора.

Вторую группу полупроводниковых ЗУ основной памяти образуют энергонезависимые микросхемы ПЗУ (ROM - Read-Only Memory).

Энергозависимые ОЗУ можно подразделить на две основные подгруппы: динамическую память (DRAM - Dynamic Random Access Memory) и статическую память (SRAM - Static Random Access Memory).

В статических ОЗУ запоминающий элемент (ЗЭ) может хранить записанную информацию неограниченно долго (при наличии питающего напряжения). Роль запоминающего элемента в статическом ОЗУ исполняет триггер.

Запоминающий элемент динамического ОЗУ способен хранить информацию только в течение достаточно короткого промежутка времени, после которого информацию восстанавливать заново (регенерировать), иначе она будет потеряна. Запоминающий элемент динамической памяти состоит из одного конденсатора и запирающего транзистора.

Область применения статической и динамической памяти определяется скоростью и стоимостью. Главным преимуществом SRAM является более высокое быстродействие (примерно на порядок выше, чем у DRAM). Быстрая синхронная SRAM может работать со временем доступа к информации, равным времени одного тактового импульса процессора. Однако из-за малой емкости микросхем и высокой стоимости применение статической памяти, как правило, ограничено относительно небольшой по емкости кэш-памятью первого (L1), второго (L2) или третьего (L3) уровней. В то же время самые быстрые микросхемы динамической памяти на чтение первого байта пакета все еще требуют от пяти до десяти тактов процессора, что замедляет работу всей ВМ. Тем не менее благодаря высокой плотности упаковки ЗЭ и низкой стоимости именно DRAM используется при построении основной памяти ВМ.

ПЗУ построены по принципу матричной структуры накопителя, где в узлах расположены перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов, одним концом подключенные к адресной линии, а другим к разрядной линии считывания. В такой матрице наличие перемычки может означать 1, а ее отсутствие - 0. В некоторых типах ПЗУ элемент, расположенный на перемычке, исполняет роль конденсатора. Тогда заряженное состояние конденсатора означает 1, а разряженное - 0.

Основным режимом работы ПЗУ является считывание информации, который мало отличается от аналогичной операции в ОЗУ как по организации, так и длительности. Именно это обстоятельство подчеркивает общепризнанное название постоянных ЗУ - ROM (Read-Only Memory - память только для чтения). В то же время запись в ПЗУ по сравнению с чтением обычно сложнее и связна с большими затратами времени и энергии. Занесение информации в ПЗУ называют программированием или «прошивкой». Последнее название напоминает о том что первые ПЗУ выполнялись на базе магнитных сердечников, а данные в них за носились путем прошивки соответствующих сердечников проводниками считывания. Современные ПЗУ реализуются в виде полупроводниковых микросхем которые по возможностям и способу программирования разделяют на:

· программируемые при изготовлении;

· однократно программируемые после изготовления;

· многократно программируемые.

ПЗУ, программируемые при изготовлении, образуют так называемые масочные устройства и именно к ним принято применять аббревиатуру ПЗУ. В литературе более распространено обозначение различных вариантов постоянных ЗУ сокращениями от английских названий, поэтому в дальнейшем будем также использовать аналогичную систему. Для масочных ПЗУ таким обозначением является ROM, совпадающее с общим названием всех типов ПЗУ. Иногда такие микросхемы именуют MROM (Mask Programmable ROM - ПЗУ, программируемые с помощью маски).

Занесение информации в масочные ПЗУ составляет часть производственного процесса и заключается в подключении или не-подключении запоминающего элемента к разрядной линии считывания. В зависимости от этого из ЗЭ будет всегда извлекаться 1 или 0. В роли перемычки выступает транзистор, расположенный на пересечении адресной и разрядной линий. Какие именно ЗЭ должны быть подключены к выходной линии, определяет маска, «закрывающая» определенные участки кристалла.

В однократно программируемые ПЗУ (Programmable ROM - программируемые ПЗУ) информация может быть записана только однократно. Первыми такими ПЗУ стали микросхемы памяти 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.

В многократно программируемых ПЗУ процедура программирования обычно предполагает два этапа: сначала производится стирание содержимого всех или части ячеек, а затем производится запись новой информации.

В этом классе постоянных запоминающих устройств выделяют несколько групп:

· EPROM (Erasable Programmable ROM - стираемые программируемые ПЗУ);

· EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM - электрически стираемые программируемые ПЗУ);

· флэш-память.

В EPROM запись информации производится электрическими сигналами, так же как в PROM, однако перед операцией записи содержимое всех ячеек должно быть приведено к одинаковому состоянию (стерто) путем воздействия на микросхему ультрафиолетовым облучением. Кристалл заключен в керамический корпус, имеющий небольшое кварцевое окно, через которое и проводится облучение. Чтобы предотвратить случайное стирание информации, после облучения кварцевое окно заклеивают непрозрачной пленкой. Процесс стирания может выполняться многократно. Данные хранятся в виде зарядов плавающих затворов МОП-транзисторов, играющих роль конденсаторов с очень малой утечкой заряда. Заряженный ЗЭ соответствует логическому нулю, а разряженный - логической единице. Программирование микросхемы происходит с использованием технологии инжекции горячих электронов.

Более привлекательным вариантом многократно программируемой памяти является электрически стираемая программируемая постоянная память EEPROM. 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. В микросхеме используется тот же принцип хранения информации, что и в EPROM. Программирование EEPROM не требует специального программатора и реализуется средствами! самой микросхемы.

Название флэш-памяти можно перевести как «вспышка молнии», что подчеркивает относительно высокую скорость перепрограммирования. Впервые анонсированная в середине 80-х годов, флэш-память во многом похожа на EEPROM, но использует особую технологию построения запоминающих элементов. Аналогично EEPROM, во флэш-памяти стирание информации производится электрическими сигналами, но не побайтово, а по блокам или полностью.

По организации массива ЗЭ различают микросхемы типа:

· Si Bulk Erase (тотальная очистка) - стирание допустимо только для всего массива ЗЭ;

· Boot Lock - массив разделен на несколько блоков разного размера, содержимое которых может очищаться независимо. У одного из блоков есть аппаратные средства для защиты от стирания;

· Flash File - массив разделен на, несколько равноправных блоков одинакового размера, содержимое которых может стираться независимо.

Поиск по сайту: