Занятие №2 (ЗУ) (Раздаточные материалы)

1.Общие сведения о запоминающих устройствах.

Решение задач на ЭВМ связано с необходимостью хранения программы вычислений, исходных данных решаемых задач, различных констант, а также промежуточных и окончательных результатов решения. Хранение всей этой информации осуществляется в запоминающих устройствах вычислительной машины.

Запоминающее устройство (ЗУ) вычислительной машины – комплекс технических средств, предназначенных для записи, хранения и выдачи информации, представленной в виде цифровых кодов.

1.1.Классификация запоминающих устройств.

Ввиду наличия большого числа признаков, по которым можно классифицировать ЗУ, ограничимся лишь теми, которые характеризуют ЗУ с точки зрения особенностей их функционирования и назначения (Рис. 1)

1. По методу поиска информации ЗУ подразделяются на адресные и безадресные.

В адресных ЗУ поиск информации осуществляется по адресу ячейки памяти, в которой она хранится.

Безадресные ЗУ можно разделить на ассоциативные и магазинные (стековые). В ассоциативных ЗУ поиск информации осуществляется по признакам самой информации (по содержанию ячейки). В магазинных (стековых) ЗУ (в отличие от адресных и ассоциативных) обращение к ячейкам возможно только в определённом порядке, при этом чтение производится в последовательности обратной записи.

1. По способу записи и считывания многоразрядных слов ЗУ делится на параллельные и последовательные.

В параллельных ЗУ n – разрядное слово записывается и считывается одновременно всеми своими разрядами. В связи с этим в устройстве должно содержаться n идентичных записывающих и считывающих элементов.

В последовательных ЗУ запись и считывание производится последовательно во времени – разряд за разрядом. Это увеличивает время обращения к ЗУ, однако объём оборудования уменьшается.

1. По способу хранения информации различают статические и динамические ЗУ.

В статических ЗУ хранимая информация фиксируется (неподвижна) по отношению к носителю в течение всего времени хранения. Примерами статических ЗУ являются устройства на ферритовых сердечниках, электронно–лучевых трубках и т. д.

В динамических ЗУ информация находится в непрерывном движении по отношению к запоминающей среде. В таких ЗУ слова информации хранятся путём непрерывной их циркуляции по некоторой замкнутой цепи (ЗУ на линиях задержки).

1. По характеру обращения к ячейкам памяти различают ЗУ с последовательным и произвольным обращением.

В ЗУ с последовательным обращением считывание (запись) информации производится в строго определённом порядке при обязательном перемещении носителя относительно считывающих и записывающих элементов. Примерами ЗУ с последовательным обращением являются ЗУ на магнитных лентах, барабанах, дисках. Для ЗУ с последовательным обращением время обращения не постоянно и зависит от расположения ячейки на носителе по отношению к записывающим и считывающим элементам.

В ЗУ с произвольным обращением время, необходимое для записи или считывания слова информации, является постоянной величиной, практически не зависящей от того, к какой ячейке ЗУ производится обращение, и определяется только быстродействием схем, осуществляющих выборку. Примером такого ЗУ может служить ЗУ на ферритовых сердечниках.

1. По характеру считывания информации ЗУ делятся на устройства со считыванием без разрушения и с разрушением информации. В последнем случае для сохранения информации необходимо её восстановление.

2. По функциональному назначению общепринятой считается следующая классификация ЗУ: регистровые, сверхоперативные, оперативные, постоянные и полупостоянные, внешние, буферные запоминающие устройства.

Основу регистровой памяти составляют регистры.

Регистр (RG)- это узел вычислительной машины представляющий собой упорядоченную совокупность электронных запоминающих элементов с системой управления входными и выходными сигналами и предназначенный для выполнения следующих основных микроопераций над n- разрядным входным кодом X₁ X₂ X₃…X_n-1X_n:

- установка (сброс) регистра в состояние 000 … 00;

- установка регистра в состояние 111 … 11;

- приём и хранение в регистре кода числа X₁X₂X₃…X_n-1X_n, где X_i (i=1,2,3…n)- двоичное значение переменной данного разряда, равное «0» или «1»;

- передача числа из регистра в прямом или обратном коде;

- сдвиг хранимого в регистре кода на заданное число разрядов вправо или влево;

- преобразование представления кода из параллельной формы записи в последовательную и, наоборот, при приёме или выдаче n- разрядного кода.

В регистрах также могут выполняться поразрядные логические и арифметические микрооперации над кодами двух чисел X₁X₂X₃…X_n-1X_n и Y₁Y₂Y₃…Y_n-1Y_n. Пусть код одного числа X₁X₂X₃…X_n-1X_n хранится в регистре, на входы которого параллельно поступает код числа Y₁Y₂Y_3..Y_n-1Y_n .

В процессе передачи кода второго числа в регистр, например, могут выполняться следующие микрооперации, ведущие к образованию в регистре кода нового числа Z₁Z₂Z₃…Z_n-1Z_n:

- поразрядное сложение или сложение по mod2, при котором в каждом разряде выполняется операция Z_i=X_iY_i;

- логическое сложение в соответствии с выражением Z_i=X_i+Y_i;

- логическое умножение в соответствии с выражением Z_i=X_i Y_i

Регистровая память используется обычно во всех устройства ЭВМ. Регистры современных ЭВМ выполняются на тех же элементах, что и логические схемы.

Сверхоперативные ЗУ (СОЗУ, RAM)- ЗУ, имеющие быстродействие, соизмеримое с быстродействием процессора, и служащие для хранения ряда чисел, необходимых для выполнения некоторой текущей последовательности команд программы.

Выборка и запись программ в СОЗУ может быть адресной (прямой), магазинной, ассоциативной.

СОЗУ с адресной выборкой. В этом случае в командах программы в явном виде записываются адреса СОЗУ. Адресные СОЗУ обычно представляют собой некоторую совокупность N-электронных регистров, построенных, например, на триггерах того или иного типа.

СОЗУ с магазинной выборкой. Магазинная адресация – последовательная выборка операндов СОЗУ из некоторой заранее упорядоченной совокупности. Поскольку в данный момент времени из СОЗУ можно выбрать лишь одно определённое число, то в командах программы нет необходимости задавать адреса операндов.

Функционально СОЗУ магазинного типа можно представить в виде списка операндов, в верхней строке которого находится используемый в данный момент операнд. Новые операнды также вводятся сверху, сдвигая при этом все остальные операнды в списке вниз на одну строку. Если из СОЗУ выбирается операнд, то все остальные операнды списка сдвигаются вверх на одну строку. Вычисления в процессоре с магазинным СОЗУ должны быть организованны так, чтобы последний операнд, записанный в СОЗУ, выбирался первым или, чтобы направленный сдвиг операндов давал необходимую для вычислений последовательность операндов.

Применение магазинного СОЗУ часто используется при работе с подпрограммами (рис. 1)

П1 ПП1 ПП2

Рис. 1. Порядок выполнения подпрограмм.

СОЗУ с ассоциативной адресацией

Ассоциативная адресация – поиск информации в СОЗУ не по заданному адресу, а по заданному признаку информации. Поиск в этом случае должен дать конкретный ответ: имеется ли слово с заданным адресом ОЗУ в СОЗУ или не имеется. В случае положительного ответа, определяется адрес требуемого слова в СОЗУ, затем это слово может быть считано и использовано в вычислениях. При отрицательном ответе необходимо обращаться за требуемым словом в ОЗУ, для чего проводится считывание информации в ОЗУ по заданному адресу.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ, RAM)

ОЗУ – ЗУ, имеющие информационную ёмкость, достаточную для выполнения программ или их частей, и работающие с циклом, который в несколько раз больше цикла работы процессора. Разделение основного ОЗУ на ряд модулей (блоков, секций) позволяет увеличить его быстродействие, за счёт совмещения различных фаз временных циклов при параллельном обращении к различным блокам.

ОЗУ служат для хранения исходных данных, программ, промежуточных и окончательных результатов решения. ОЗУ находится в функциональных отношениях с процессором при реализации процесса обработки данных, и является основным внутренним ЗУ машины.

ОЗУ содержит массив запоминающих элементов – ­частей памяти, предназначенных для хранения наименьшей единицы данных (бита информации). Множество запоминающих элементов образуют накопитель информации или поле памяти, непосредственно предназначенное для хранения информации. Техническое исполнение накопителя информации может быть на ферритовых носителях информации и на интегральных микросхемах (ИМС). ОЗУ может работать в режимах записи, хранения и считывания информации. Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ: ОЗУ может работать в качестве ПЗУ, т.е. в режиме многократного считывания однократно записанной информации.

Основной составной частью микросхемы ОЗУ является массив элементов памяти ЭП, объединённых в матрицу накопителя. Каждый ЭП имеет свой адрес. Для обращения к ЭП необходимо его «выбрать» с помощью кода адреса, сигналы которого подводят к соответствующим выводам микросхемы.

Разрядность кода адреса m, равная числу двоичных единиц в нём, определяет информационную ёмкость микросхемы ОЗУ, т.е. число ЭП в матрице, которое равно 2^m. Например, микросхема, у которой число адресных входов равно m=10, содержит в матрице 2¹⁰=1024 ЭП, т.е. имеет информационную ёмкость 1024 бит = 1 Кбит.

Для ввода (записи) и вывода (считывания) информации служит вход и выход микросхемы. Для управления режимом работы микросхемы ОЗУ на специальный вход подаётся сигнал «Запись-считывание». Если его значение равно единице, то устанавливается режим записи бита информации по адресу, указанному кодом адреса. Если же значение сигнала равно нулю, то устанавливается режим чтения информации.

Такую организацию матрицы накопителя, при которой одновременно можно записывать или считывать один бит, называют одноразрядной. Большинство микросхем ОЗУ имеют одноразрядную организацию, иначе называемую словарной. У таких микросхем имеется несколько информационных входов и столько же выходов. Поэтому они допускают одновременную запись (считывание) многоразрядного кода, который принято называть «словом».

Микросхемы ОЗУ по типу элементов памяти разделяют на статические и динамические. В микросхемах статических ОЗУ в качестве ЭП применяются статические триггеры на биполярных и МДП-транзисторах. Как известно, статический триггер способен при наличии напряжения питания сохранять своё состояние неограниченное время. Число состояний, в которых может находиться триггер, равно двум, что и позволяет использовать его для хранения информации в двоичной системе счисления.

В микросхемах динамических ОЗУ элементы памяти выполнены на основе электрических конденсаторов, сформированных внутри полупроводникового кристалла. Такие ЭП не могут долгое время сохранять своё состояние, определяемое наличием или отсутствием электрического заряда, и, поэтому, нуждаются в периодическом восстановлении информации (регенерации).