Сдвигающие (последовательные) регистры

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 7

Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собою цепочку разрядных схем, связанных цепями переноса. Основной режим работы — сдвиг разрядов кода от одного триггера к другому на каждый импульс тактового сигнала. В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо слово сдвигается при поступлении тактового сигнала. Вход и выход последовательные (англ. Data Serial Right, DSR).

Согласно требованиям синхронизации в сдвигающих регистрах, не имеющих логических элементов в межразрядных связях, нельзя применять одноступенчатые триггеры, управляемые уровнем, поскольку некоторые триггеры могут за время действия разрешающего уровня синхросигнала переключиться неоднократно, что недопустимо. Появление в межразрядных связях логических элементов, и тем более, логических схем неединичной глубины упрощает выполнение условий работоспособности регистров и расширяет спектр типов триггеров, пригодных для этих схем. Многотактные сдвигающие регистры управляются несколькими синхропоследовательностями. Из их числа наиболее известны двухтактные с основным и дополнительным регистрами, построенными на простых одноступенчатых триггерах, управляемых уровнем. По такту С1 содержимое основного регистра переписывается в дополнительный, а по такту С2 возвращается в основной, но уже в соседние разряды, что соответствует сдвигу слова. По затратам оборудования и быстродействию этот вариант близок к однотактному регистру с двухступенчатыми триггерами.

Регистры процессора

По назначению регистры процессора различаются на:

аккумулятор — используется для хранения промежуточных результатов арифметических и логических операций и инструкций ввода-вывода;
флаговые — хранят признаки результатов арифметических и логических операций;
общего назначения — хранят операнды арифметических и логических выражений, индексы и адреса;
индексные — хранят индексы исходных и целевых элементов массива;
указательные — хранят указатели на специальные области памяти (указатель текущей операции, указатель базы, указатель стэка);
сегментные — хранят адреса и селекторы сегментов памяти;
управляющие — хранят информацию, управляющую состоянием процессора, а также адреса системных таблиц.

Троичные регистры

Троичные регистры строятся на троичных триггерах. Как и троичные триггеры, троичные регистры могут быть разных троичных систем кодирования троичных данных (троичных разрядов): трёхуровневая однопроводная, двухуровневая двухразрядная двухпроводная, двухуровневая трёхразрядная одноединичная трёхпроводная, двухуровневая трёхразрядная однонулевая трёхпроводная и др.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Классификация

По типу исполнения[править | править вики-текст]

Массив данных совмещён с устройством выборки (считывающим устройством), в этом случае массив данных часто в разговоре называется «прошивка»:

микросхема ПЗУ;
Один из внутренних ресурсов однокристальной микро ЭВМ (микроконтроллера), как правило FlashROM.

Массив данных существует самостоятельно:

Компакт-диск;
перфокарта;
перфолента;
Штрих-коды;
монтажные «1» и монтажные «0».

По разновидностям микросхем ПЗУ

По технологии изготовления кристалла:

ROM — (англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.
PROM — (англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.
EPROM — (англ. erasable programmable read-only memory, перепрограммируемое/репрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ/РПЗУ)). Например, содержимое микросхемы К573РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом.
EEPROM — (англ. electrically erasable programmable read-only memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. flash memory).
ПЗУ на магнитных доменах, например К1602РЦ5, имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей (см. Компьютерная память). Обеспечивалось неограниченное количество циклов перезаписи.
NVRAM, non-volatile memory — «неразрушающаяся» память, строго говоря, не является ПЗУ. Это ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой. В СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы, выпустившей их на рынок. В NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена.

По виду доступа:

С параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ. Например, К573РФ5;
С последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A.

По способу программирования микросхем (записи в них прошивки):

Непрограммируемые ПЗУ;
ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.
Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) — такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом.

Применение

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером (BIOS или OpenBoot на машинах SPARC).

BootROM — прошивка, такая, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в сетевой карте, то становится возможна загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS.

ПЗУ в IBM PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600: 0000 по FD00: 0FFF

Исторические типы ПЗУ

Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в шарманках, музыкальных шкатулках, часах с боем.

С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых ламп. В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой ёмкости широко использовались штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых поколений — несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать их с похожими типами ОЗУ). Именно от этих типов ПЗУ и берёт своё начало термин «прошивка» — логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ информацией напоминала процесс шитья.

Операти́ вная па́ мять (англ. Random Access Memory, RAM, память с произвольным доступом; ОЗУ (оперативное запоминающее устройство); комп. жарг. память, оперативка) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:

непосредственно;
через сверхбыструю память 0-го уровня — регистры в АЛУ, либо при наличии аппаратного кэша процессора — через кэш.

Содержащиеся в современной полупроводниковой оперативной памяти данные доступны и сохраняются только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение. Выключение питания оперативной памяти, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному разрушению хранимой информации.

Энергосберегающие режимы работы материнской платы компьютера позволяют переводить его в режим сна, что значительно сокращает уровень потребления компьютером электроэнергии. В режиме гибернации питание ОЗУ отключается. В этом случае для сохранения содержимого ОЗУ операционная система (ОС) перед отключением питания записывает содержимое ОЗУ на устройство постоянного хранения данных (как правило, жёсткий диск). Например, в ОС Windows XP содержимое памяти сохраняется в файл hiberfil.sys, в ОС семейства Unix — на специальный swap-раздел жёсткого диска.

В общем случае, ОЗУ содержит программы и данные ОС и запущенные прикладные программы пользователя и данные этих программ, поэтому от объёма оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер под управлением ОС.

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ — техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный внешний модуль или располагаться на одном кристалле с процессором, например, в однокристальных ЭВМ или однокристальных микроконтроллерах.

История

См. также: История вычислительной техники

В 1834 году Чарльз Бэббидж начал разработку аналитической машины. Одну из важных частей этой машины он называл «складом» (store), эта часть предназначалась для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде поворотов валов и шестерней.

ЭВМ первого поколения можно считать ещё полуэкспериментальными, поэтому в них использовалось множество разновидностей и конструкций запоминающих устройств, основанных на различных физических принципах:

на электромагнитных реле;
на акустических линиях задержки;
на электронно-лучевых трубках;
на электростатических трубках.

В качестве ОЗУ использовались также магнитные барабаны, обеспечивавшие достаточно малое для ранних компьютеров время доступа; также они использовались в качестве основной памяти для хранения программ и данных.

Второе поколение требовало более технологичных, дешёвых и быстродействующих ОЗУ. Наиболее распространённым видом ОЗУ в то время стала память на магнитных сердечниках.

Начиная с третьего поколения большинство электронных узлов компьютеров стали выполнять на микросхемах, в том числе и ОЗУ. Наибольшее распространение получили два вида ОЗУ:

динамическая память; информация сохраняется с помощью заряда конденсаторов;
статическая память; информация сохраняется с помощью триггеров.

Статическая и динамическая память не сохраняли информацию при отключении питания. Сохранять информацию при отключении питания способна энергонезависимая память.

Сейчас применяются два основных вида ОЗУ:

статическое (SRAM); память в виде массивов триггеров;
динамическое (DRAM); память в виде массивов конденсаторов;

В SRAM бит данных хранится в виде состояния триггера. Этот вид памяти является более дорогим в расчёте на хранение 1 бита, но, как правило, имеет наименьшее время доступа и меньшее энергопотребление, чем DRAM. В современных компьютерах часто используется в качестве кэш-памяти процессора.

DRAM хранит бит данных в виде заряда конденсатора. Однобитовая ячейка памяти содержит конденсатор и транзистор. Конденсатор заряжается до более высокого или низкого напряжения (логические 1 или 0). Транзистор выполняет функцию ключа, подключающего конденсатор к схеме управления, расположенного на том же чипе. Схема управления позволяет считывать состояние заряда конденсатора или изменять его. Так как хранение 1 бита информации в этом виде памяти дешевле, чем в SRAM, DRAM сейчас преобладает в компьютерах.

Статические и динамические ОЗУ являются энергозависимыми, так как информация в них теряется при отключении питания. Энергонезависимые (постоянная память, ПЗУ) устройства сохраняют информацию вне зависимости от наличия питания. К ним относятся флэш-накопители, карты памяти для фотоаппаратов и портативных устройств и т. д.

В устройствах управления энергозависимой памяти (SRAM или DRAM) часто включают специальные схемы для обнаружения и/или исправления ошибок. Это достигается введением избыточных битов в хранимые машинные слова, используемые для проверки (например, биты чётности) или коррекции ошибок.

Точнее, термин RAM относится только к устройствам твёрдотельной памяти DRAM или SRAM — основной памяти большинства современных компьютеров. Для оптических дисков термин DVD-RAM не совсем корректен, так как, в отличие от дисков типа CD-RW или DVD-RW, старые данные не должны стираться перед записью новых. Тем не менее, информационно DVD-RAM похож на жёсткий диск, хотя время обращения к нему намного больше.

ОЗУ современных компьютеров

ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим основную оперативную память ^[1]строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

Память динамического типа

Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариантах два конденсатора). Такой вид памяти, во-первых, дешевле (один конденсатор и один транзистор на 1 бит дешевле нескольких транзисторов триггера), и, во-вторых, занимает меньшую площадь на кристалле (там, где в SRAM размещается один триггер, хранящий 1 бит, можно разместить несколько конденсаторов и транзисторов для хранения нескольких бит). Но DRAM имеет и недостатки. Во-первых, работает медленнее, поскольку, если в SRAM изменение управляющего напряжения на входе триггера сразу очень быстро изменяет его состояние, то для того, чтобы изменить состояние конденсатора, его нужно зарядить или разрядить. Перезаряд конденсатора гораздо более длителен (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если ёмкость конденсатора очень мала. Второй существенный недостаток — конденсаторы со временем разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их электрическая ёмкость и больше ток утечки, в основном, утечка через ключ.

Именно из-за того, что заряд конденсатора динамически уменьшается во времени, память на конденсаторах получила своё название DRAM — динамическая память. Поэтому, дабы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов периодически восстанавливается («регенерируется») через определённое время, называемое циклом регенерации (обычно 2 мс). Для регенерации в современных микросхемах достаточно выполнить циклограмму «чтения» по всем строкам запоминающей матрицы. Процедуру регенерации выполняет процессор или контроллер памяти. Так как для регенерации памяти периодически приостанавливается обращение к памяти, это снижает среднюю скорость обмена с этим видом ОЗУ.

Память статического типа

ОЗУ, которое не надо регенерировать (обычно схемотехнически выполненное в виде массива триггеров), называют статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры являются соединением нескольких логических вентилей, а время задержки на вентиль очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, чем ячейка динамической памяти, даже если они изготавливаются групповым методом миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше площади на кристалле, чем ячейка динамической памяти, поскольку триггер состоит минимум из 2 вентилей (шести-восьми транзисторов), а ячейка динамической памяти — только из одного транзистора и одного конденсатора. Используется для организации сверхбыстродействующего ОЗУ, обмен информацией с которым критичен для производительности системы.

В информатике буфер (англ. buffer) — это область памяти, используемая для временного хранения данных при вводе или выводе. Обмен данными (ввод и вывод) может происходить как с внешними устройствами, так и с процессами в пределах компьютера. Буферы могут быть реализованы в аппаратном или программном обеспечении, но подавляющее большинство буферов реализуется в программном обеспечении. Буферы используются, когда существует разница между скоростью получения данных и скоростью их обработки, или в случае, когда эти скорости переменны, например, при буферизации печати.

Буфер и кэш

Эти термины не являются взаимоисключающими, и их функции часто смешиваются, но существует различие в их предназначении. Буфер — временное хранилище, где большие блоки данных сливаются или разбиваются на части. Это необходимо для взаимодействия с запоминающим устройством, которое работает с большими блоками данных, или когда данные передаются в другом порядке чем тот, в котором они формируются, и лишь желательно — в том случае, когда использование мелких блоков неэффективно. Использование буфера приносит пользу, даже если буферизуемые данные пишутся в буфер и читаются из него однократно.

В свою очередь, использование кэша предполагает, что данные будут читаться из кэша чаще, чем записываться туда. Его назначение — уменьшить число обращений к запоминающему устройству, а не сделать их более эффективными.

Использование буферов

Метод организации обмена данными между устройствами или процессами с использованием буфера называется буферизацией. Один из наиболее известных для пользователей ПК примеров такого использования буфера — буфер обмена в ОС Microsoft Windows.

Также буферы используются в программировании для получения данных от функций. Функции Windows API, результатом работы которых является строковое значение (например, MultiByteToWideChar), принимают в качестве одного из аргументов указатель на буфер, куда производится вывод.

SRAM (память)

Статическая память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может, только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти. Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (тритов) (чаще байтов (трайтов), зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM, англ. sequential access memory).

Двоичная SRAM

Типичная ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на КМОП-технологии состоит из двух перекрёстно (кольцом) включённых инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке (рис. 1.). Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

Линия WL (Word Line) управляет двумя транзисторами доступа. Линии BL и BL (Bit Line) — битовые линии, используются и для записи данных, и для чтения данных.

Запись. При подаче «0» на линию BL или BL параллельно включенные транзисторные пары (M5 и M1) и (M6 и M3) образуют логические схемы 2ИЛИ, последующая подача «1» на линию WL открывает транзистор M5 или M6, что приводит к соответствующему переключению триггера.

Чтение. При подаче «1» на линию WL открываются транзисторы M5 и M6, уровни, записанные в триггере, выставляются на линии BL и BL и попадают на схемы чтения.

Восьмитранзисторная ячейка двоичной SRAM описана в^[1].

Переключение триггеров через транзисторы доступа является неявной логической функцией приоритетного переключения, которая в явном виде, для двоичных триггеров, строится на двухвходовых логических элементах 2ИЛИ-НЕ или 2И-НЕ. Схема ячейки с явным переключением является обычным RS-триггером. При явной схеме переключения линии чтения и записи разделяются, отпадает нужда в транзисторах доступа в схеме записи-чтения с неявным приоритетом (по 2 транзистора на 1 ячейку), но появляется нужда в схемах записи-чтения с явным приоритетом.

В настоящее время появилась усовершенствованная схема^[2] с обратной связью, отключаемой сигналом записи, которая не требует транзисторов нагрузки и соответственно избавлена от высокого потребления энергии при записи.

Преимущества

Быстрый доступ. SRAM — это действительно память произвольного доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.
Простая схемотехника — SRAM не требуются сложные контроллеры.
Возможны очень низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов.

Недостатки

Невысокая плотность записи (шесть-восемь элементов на бит^[3], вместо двух у DRAM).
Вследствие чего — дороговизна килобайта памяти.

Тем не менее, высокое энергопотребление не является принципиальной особенностью SRAM, а обусловлено высокими скоростями обмена с данным видом внутренней памяти процессора. При реализации по КМОП-технологии энергия потребляется только в момент изменения информации в ячейке SRAM. При реализации по ТТЛ-технологии (например, К155РУ*) энергия потребляется непрерывно.

Применение

SRAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объём ОЗУ невелик (единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счёт отсутствия сложного контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта^[4] время работы подпрограмм и отладка прямо на устройстве.

В устройствах с большим объёмом ОЗУ рабочая память выполняется как DRAM. SRAM же применяется для регистров и кэш-памяти.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 67