Запоминающие устройства ЭВМ

Запоминающие устройства ЭВМ 

Запоминающие устройства классифицируют: 

1. По типу запоминающих  элементов (полупроводниковые, магнитные,  конденсаторные, оптоэлектронные, голографические,  криогенные). 

2. По функциональному  назначению (оперативные (ОЗУ), буферные (БЗУ), сверхоперативные (СОЗУ), внешние (ВЗУ), постоянные (ПЗУ)). 

3. По способу организации  обращения (с последовательным  поиском, с прямым доступом, адресные, ассоциативные, стековые, магазинные). 

4. По характеру  считывания (с разрушением или  без разрушения информации). 

5. По способу хранения (статические или динамические). 

6. По способу организации  (однокоординатные, двухкоординатные, трехкоординатные, двух/трехкоординатные). 

ПАМЯТЬ ЭВМ - совокупность всех запоминающих устройств, входящих в состав ЭВМ. Обычно в состав ЭВМ входит несколько различных типов ЗУ. 

Производительность  и вычислительные возможности ЭВМ  в значительной степени определяются составом и характеристиками ее ЗУ. 

Основными операциями в памяти в общем случае являются занесение информации в память - запись и выборка информации из памяти - считывание. Обе эти операции называются обращением к памяти или, подробнее, обращением при считывании и обращением при записи. 

При обращении к  памяти производится считывание или  запись некоторой единицы данных - различной для устройств разного типа. 

Такой единицей может  быть бит, байт, машинное слово или  блок данных. 

Важнейшими характеристиками отдельных устройств памяти являются емкость памяти, удельная емкость, быстродействие. 

ЕМКОСТЬ ПАМЯТИ определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Емкость измеряется в двоичных единицах (битах), машинных словах, но большей частью в байтах. 

УДЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ  есть отношение емкости ЗУ к его  физическому объему. 

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ПАМЯТИ определяется продолжительностью операций обращения, т.е. временем, затрачиваемым на поиск единицы информации в памяти и на ее считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначенного для хранения данной единицы информации, и на ее запись. 

В некоторых устройствах  памяти считывание информации сопровождается ее разрушением (стиранием). В таком  случае цикл обращения должен содержать  операцию восстановления (регенерации) считанной информации на прежнем  месте в памяти. 

Таким образом, продолжительность обращения к памяти при считывании 

tобр_с = tдост_с  + tсчит + tрег, 

где tдост_с - промежуток времени между моментом начала операции считывания и моментом, когда становится возможным доступ к данной единице  информации; tсчит - продолжительность  самого физического процесса считывания; tрег - время, затрачиваемое на регенерацию информации (равно нулю для ЗУ, которым регенерация не требуется). 

Продолжительность обращения при записи 

tобр_з = tдост_з  + tподг + tзап, 

где tдост_з - промежуток времени между моментом начала операции записи и моментом, когда становится возможным доступ к запоминающим элементам; tподг - время подготовки, расходуемое на приведение в исходное состояние запоминающих элементов для записи заданной единицы информации; tзап 0 - время занесения информации. 

В качестве продолжительности  цикла обращения к памяти принимается  величина 

tобр = max(tобр_с,tобр_з). 

Принято разделять  все запоминающие устройства на два  основных типа: оперативные и внешние. Основным критерием для такого разделения служит скорость доступа к информации. 

ОЗУ (оперативное  запоминающее устройство) - запоминающее устройство, предназначенное для  информации, непосредственно участвующей  в процессе выполнения операций, выполняемых  процессором. ОЗУ должно обеспечивать поступление новой информации в процессор с той же скоростью, с какой он ее обрабатывает.  

ВЗУ (внешнее запоминающее устройство) - запоминающее устройство, предназначенное для длительного  хранения массивов информации и обмена ими с ОЗУ. Обычно строятся на базе магнитных носителей информации. Само название этого класса устройств имеет исторический характер и произошло от больших ЭВМ, в которых все ВЗУ, как более медленные и громоздкие, размещались в собственном корпусе, а не в корпусе основного модуля. 

Внутренняя память ЭВМ организуется как взаимосвязанная совокупность нескольких типов ЗУ. В ее состав, кроме ОЗУ, могут входить следующие типы ЗУ: 

ПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ПЗУ) - запоминающее устройство, из которого может производиться  только выдача хранящейся в нем информации. Занесение информации в ПЗУ производится при его изготовлении.. 

ПОЛУПОСТОЯННОЕ (ПРОГРАММИРУЕМОЕ) ЗУ (ППЗУ) - ЗУ, в котором информация может обновляться с помощью  специальной аппаратуры перед режимом  автоматической работы ЭВМ. Если возможно многократное обновление информации, то иногда такое ППЗУ называют репрограммируемым (РППЗУ). 

БУФЕРНОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (БЗУ) - запоминающее устройство, предназначенное для промежуточного хранения информации при обмене данными  между устройствами ЭВМ, работающими с различными скоростями. Конструктивно оно может быть частью любого из функциональных устройств. 

Местная память (cверхоперативное  ЗУ, СОЗУ) - буферное запоминающее устройство, включаемое между ОЗУ и процессором  или каналами. Различают местную память процессора и местную память каналов. 

СТЕК (магазин) - специально организованоое ОЗУ, блок хранения которого состоит из регистров, соединенных  друг с другом в цепочку, по которой  их содержимое при обращении к  ЗУ передается (сдвигается) в прямом или обратном направлении.  

Кеш-память - разновидность  стека, в котором хранятся копии  некоторых команд из ОЗУ.  

ВИДЕОПАМЯТЬ - область  ОЗУ ЭВМ, в которой размещены  данные, видимые на экране дисплея.. 

АДРЕСНАЯ, АССОЦИАТИВНАЯ  И СТЕКОВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИИ 

Запоминающее устройство, как правило, содержит множество  одинаковых запоминающих элементов, образующих запоминающий массив. Массив разделен на отдельные ячейки; каждая из них  предназначена для хранения двоичного  кода, число разрядов в котором  определяется шириной выборки памяти (байт, машинное слово или несколько слов). Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую память. 

АДРЕСНАЯ ПАМЯТЬ 

При адресной организации  памяти размещение и поиск информации в запоминающем массиве основаны на использовании адреса хранения слова. Адресом служит номер ячейки массива, в которой это слово размещается. 

При записи (или считывании) слова в запоминающий массив инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес, по которому производится запись (считывание).

                                    г====================¬

                             -------¦------¬             ¦      ¦     БУС     ¦             ¦

                             ¦ 0       n-1 ¦<¬           ¦

                                                          L-------------- ¦           ¦

                                    ^        ¦           ¦

                                    ¦        ¦           ¦ ШИВх

       --------¬       ------T------¦------¬  ¦           ¦   ¦

       ¦    k-1¦       ¦  БАВ ¦ 0  ...  n-1 ¦ ¦           ¦   ¦

       ¦       ¦       ¦     ¦             ¦ ¦           V   V

ША     ¦       ¦       ¦     ¦ .           ¦ ¦    --------------¬

======>¦  РгА   ¦=====> ¦     ¦ .    ЗМ     ¦ ¦ -->¦     РгИ     ¦

              ¦       ¦       ¦     ¦ .           ¦ ¦ ¦->¦ 0       n-1 ¦

       ¦       ¦       ¦     ¦             ¦ ¦ ¦¦ L------T---T---

       ¦     0 ¦       ¦     ¦ N-1         ¦ ¦ ¦¦        ¦   ¦

       L--------       L-----+-------------- ¦ ¦¦        ¦   ¦

     ПрРгА  ^     Выборка  ^         ^        ¦ ¦¦        ¦   V

           ¦ --------------         ¦        ¦ ¦¦        ¦ ШИВых

Обра-  ----+-+-¬ Считывание         ¦        ¦ ¦¦        ¦

щение  ¦       +--------------------+--------- ¦¦        ¦

------>¦       ¦ ПрРгИ              ¦          ¦¦        ¦

              ¦       +--------------------+-----------¦        ¦

Опе-   ¦  БУП  ¦ ПрШИВых            ¦           ¦        ¦

рация  ¦       +--------------------+------------        ¦

------>¦       ¦ Запись      -------¦------¬             ¦

       ¦       +------------>¦     БУЗ     ¦             ¦

       L--------             ¦ 0       n-1 ¦             ¦

                             L--------------             ¦

                                    ^                    ¦

                                    L====================- 

Типичная структура  адресной памяти содержит запоминающий массив из N n-разрядных ячеек (обычно n равно 1, 4, 8 или 16) и его аппаратурное обрамление, включающее регистр адреса РгА, имеющий k разрядов (k больше или равно логарифму по основанию 2 от N), информационный регистр РгИ, блок адресной выборки БАВ, блок усилителей считывания БУС, блок разрядных усилителей-формирователей сигналов записи БУЗ и блок управления памятью БУП. 

По коду адреса в  регистре адреса блок адресной выборки  формирует в соответствующей  ячейке памяти сигналы, позволяющие  произвести считывание или запись слова в ячейку. 

Цикл обращения  к памяти инициируется поступлением в блок управления памятью сигнала "Обращение". Общая часть цикла  обращения включает в себя: 

1) прием в регистр  адреса с шины адреса ША  адреса обращения; 

2) прием блоком  управления и расшифровку управляющего сигнала "Операция", указывающего вид операции (считывание или запись). 

Далее, при считывании: 

3) блок адресной  выборки дешифрирует адрес и  посылает сигналы считывания  в заданную ячейку, при этом  код записанного в ячейке слова  считывается усилителями считывания и передается в информационный регистр РгИ; 

4) в памяти с  разрушающим считыванием (при  считывании все запоминающие  ячейки устанавливаются в нулевое  состояние) производится регенерация  информации в ячейке путем  записи в нее из информационного регистра РгИ считанного ранее слова; 

5) считанное слово  выдается из информационного  регистра на выходную информационную  шину ШИВых. 

При записи: 

3) производится прием  записываемого слова с выходной  информационной шины ШИВх в  информационный регистр; 

4) блок адресной  выборки производит выборку и  очистку ячейки, заданной в регистре  адреса (в памяти с разрушающим  считыванием для этого производится  считывание без записи в информационный  регистр); 

5) в выбранную  ячейку записывается слово из  информационного регистра.  

Блок управления БУП генерирует необходимые последовательности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных узлов

памяти. 

АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ 

В памяти этого типа поиск нужной информации производится не по адресу, а по ее содержанию (по ассоциативному признаку). При этом поиск по ассоциативному признаку (или последовательно по отдельным его разрядам) происходит параллельно во времени для всех ячеек запоминающего массива. Во многих случаях ассоциативный поиск позволяет существенно упростить и ускорить обработку данных. Это достигается за счет того, что в памяти этого типа операция считывания информации совмещена с выполнением ряда логических операций. 

Память этого типа применяется в специализированных вычислительных машинах - машинах баз данных.