2.2. Основная память

ОП в плане её назначения и обобщенной классификации уже кратко характеризовалось в подразделе 1.3. Здесь мы более подробно изучим эти вопросы.

На логическом уровне память представляет собой совокупность ячеек определённой разрядности (в настоящее время, как правило, 1 байт), к содержимому которых можно обращаться (по чтению или по записи) путём указания их адресов. ОП ПЭВМ состоит из одного или нескольких устройств памяти. Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями:

1)      временем доступа (быстродействием);

2)      емкостью;

3)      стоимостью;

4)      потребляемой мощностью (энергопотреблением).

Время доступа – это промежуток времени, за который может быть записано или прочитано содержимое ячейки памяти после подачи её адреса и соответствующего управляющего сигнала. Ёмкость определяет количество ячеек или битов в устройстве памяти. Однако этим показателем ёмкость ОП ПЭВМ не ограничивается, так как она может содержать несколько устройств памяти. Стоимость измеряется денежными затратами в расчете на единицу ёмкости памяти. Классификация устройств ОП ПЭВМ по функциональному признаку предоставлена на рис. 2.4. все устройства памяти базируются на полупроводниковой технологии и выполняются в виде ИМС. В связи с этим показатель «ёмкость» сводится по пути к удельной ёмкости (количеству ячеек или битов на кристалле).

Рис. 2.4. Устройства основной памяти

 В аналогичной литературе вместо ОЗУ используется термин RAM (Random-Access Memory – запоминающее устройство с произвольной выборкой – ЗУПВ). Под произвольностью выборки в данном случае понимают возможность непосредственного доступа к любой (произвольной) заданной ячейке памяти, причем время доступа для любой ячейки одинаково. Но термин ЗУПВ ничего не говорит о функциональных возможностях, а именно о том, что оно используется в качестве временной рабочей памяти машины, обеспечивая как запись, так и считывание информации (программ и данных).

В зависимости от способа хранения информации ОЗУ подразделяют на:

1) статические ОЗУ (SRAM – Static RAM):

2) динамические ОЗУ – (DRAM – Dynamic RAM);

3) статические векторные ОЗУ (SCRAM – Static-Column RAM);

4) псевдостатические ОЗУ (P-SRAM – Pseudo-Static RAM).

В SRAM каждый бит информации (1 или 0) хранится на элементе типа электронной защелки (обобщение триггера), состояние которого остаётся неизменным до тех пор, пока не будет сделана новая запись в этот элемент или не будет выключено питание.

В DRAM же каждый информационный бит хранится в виде заряда конденсатора. Из-за наличия токов утечки заряд конденсатора необходимо с определенной периодичностью регенерировать (обновлять), причем во время регенерации запись новой информации должна быть запрещена. Обновление информации как правило проводится каждую миллисекунду (мс).

По сравнению со статическими, динамические ОЗУ имеют более высокую удельную ёмкость и меньшую стоимость, но большее энергопотребление и меньшее быстродействие. В настоящее время выпускаются кристаллы DRAM ёмкостью до 4 Мбит (512 Кбайт) и даже 16 Мбит (2 Мбайт) – эта заслуга принадлежит корпорации NEC, а SRAM – до 1 Мбит (128 Кбайт). Отечественные кристаллы DRAM имеют ёмкость всего лишь до 256 Кбит. Стоимость одного Мбайт DRAM составляет 250, а SRAM – 500 долл. Время доступа для DRAM лежит в пределах 70 – 150 наносекунд (нс), в то время как SRAM – 45 – 55 нс. В связи с таким соотношением характеристик в качестве ОЗУ ПЭВМ сейчас используются, как правило, устройства динамической памяти. Устройства же статической памяти применяются главным образом для создания кэшей, устраняющих диспропорции по быстродействию между различными устройствами высокопроизводительных ПЭВМ.

Так, кэши могут создаваться для обмена информации между скоростными МП, с одной стороны, и DRAM-ОЗУ, НМД, а также ПЗУ, с другой стороны. Кэш логически представляет собой промежуточный буфер, через который перекачиваются данные. Кэширование может осуществляться как по чтению, так и по записи. Выигрыш по быстродействию достигается благодаря тому, что часто используемые данные находятся в кэше, а по этому доступ к ним со стороны МП ускоряется.

 SCRAM занимает промежуточное положение между SRAM и DRAM, имея быстродействие динамической памяти при произвольном и статической памяти при последовательном доступе, а также среднюю между этими двумя типами ОЗУ стоимость.

P-SRAM также созданы для того, чтобы в определенной степени скомпенсировать недостатки как DRAM, так и SRAM. P-SRAM представляет собой DRAM, имеющее встроенную схему регенерации заряда каждой ячейки памяти. Это позволяет снизить энергопотребление по сравнению с DRAM при стоимости меньшей, чем SRAM. Такие характеристики позволяют использовать P-SRAM в качестве основной памяти ПЭВМ, и особенно портативных. Снижение энергопотребления ОЗУ при невысокой стоимости, конечно, очень актуально для последних при питании от батарей, поскольку основная память потребляет около четверти мощности, необходимой для работы компьютера. Удельная ёмкость P-SRAM эквивалентна DRAM. Так, фирма Hitachi уже представила микросхемы P-SRAM ёмкостью 4 Мбайт. ОЗУ всех четырех рассмотренных типов являются энергозависимыми. Тем не менее имеется и в настоящее время иногда используется способ устранения этого недостатка, состоящий в применении батарейного (или аккумуляторного) питания. Конечно, есть и альтернатива – использовать в качестве ОЗУ устройства памяти, основанные на других физических принципах.

ПЗУ (ROM – Only Memory) делятся на следующие типы:

1)      неперепрограммируемые ПЗУ – масочные ПЗУ (MROM – Masked ROM – МПЗУ):

2)      программируемые ПЗУ  (PROM – Programmable ROM – ППЗУ);

3)      стираемые программные ПЗУ (EPROM – Erasable Programmable ROM – СППЗУ);

4)      электрически стираемые программируемые ПЗУ (EPROM – Electrically Erasable ROM – ЭСППЗУ).

В доставленном переводе ROM означает запоминающее устройство только для чтения, что полностью соответствует выполняемым функциям. Но, кроме того, ПЗУ является и памятью с произвольной выборкой в рассмотренном выше смысле. Поэтому, на наш взгляд, сочетание терминов ROM и RAM в англоязычной литературе не совеем удачно, однако широко распространено по историческим причинам. Все рассматриваемые типы ПЗУ являются энергонезависимыми.

МПЗУ – это запоминающее устройство, информация в котором «защита» по специальному шаблону или маске при его изготовлении и изменению не подлежит.

ППЗУ же предоставляет пользователю возможность самостоятельно его запрограммировать. Содержимое ППЗУ формируется после того, как устройство памяти изготовлено. Процесс занесения информации в ППЗУ осуществляется специальным устройством, называемым программатором. Обычно этот процесс основан на пережигании плавких перемычек и не обратим в том смысле, что после такого программирования содержимое памяти не может быть изменено. ПЗУ данного типа получили широкое распространение.

СППЗУ обеспечивает возможность неоднократного изменения своего содержимого путем стирания информации с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения и последующей записи новой информации посредством специального программатора. Стирание СППЗУ осуществляется за 10 – 15 мин. В качестве примеров СППЗУ можно назвать кристаллы ёмкостью 4 Мбит (512 Кбайт) фирм Toshiba и NEC, обеспечивающие время доступа 150 и 120 нс соответственно. Очевидно, эти характеристики сопоставлены с DRAM.

Дальше всего от традиционного понимания ПЗУ отстоит ЭСППЗУ. Оно предоставляет стирать своё содержимое не ультрафиолетовыми лучами, а электрическими сигналами. Но, конечно же, время перезаписи информации в этом устройстве существенно выше, чем в ОЗУ, что не позволяет использовать его в качестве последнего. Однако ЭСППЗУ можно считать заменителем  НМД небольшой ёмкости. К примеру, еще в 1987 г. фирма Seeq Technology выпустила кристаллы ЭСППЗУ ёмкостью 1 Мбит (128 Кбайт).