Статическая оперативная память

Статическая память (SRAM) – это энергозависимая полупроводниковая память с произвольным доступом, в которой каждый разряд хранится в триггере, позволяющем поддерживать состояние разряда без постоянной перезаписи. Для организации чтения и записи из ячейки памяти дополнительно используется три или более транзисторов.

1. Устройство триггера.

Для того чтобы понять принцип работы статической памяти, обратимся к истокам схемотехники. И начнем с описания принципа работы триггера, изображенного на рисунке 1.

Триггер – это элемент памяти с двумя стабильными состояниями – «0» и «1». В установленном состоянии триггер сохраняется, пока на него подается питание.

Обычно триггер имеет два входа:

• R (Reset) – сбросить триггер (установить в состояние «0»),
• S (Set) – установить триггер в состояние «1»,

и два выхода: Q и инвертированное Q ().

Входы R и S используются для установки состояния триггера. Если на вход S подать напряжение, соответствующее логической единице (далее просто логическую единицу), а на вход R – напряжение, соответствующее логическому нулю (далее просто логический ноль), то триггер перейдет в состояние единицы и сохранит это состояние даже, если на вход S перестать подавать сигнал.

Если на вход S подать логический ноль, а на вход R – логическую единицу, то триггер перейдет в состоянии сохранения нуля.

При подаче на оба входа логического нуля, состояние триггера не измениться.

При подаче на оба входа логической единицы, в общем случае состояние триггера будет неопределенно, то есть неизвестно, в какое состояние он перейдет.

В таблице 1 приводится перечень всех возможных состояний триггера.

Таблица 1. Состояния триггера, в зависимости от сигналов на входе.

Рассмотрев логику работы триггера, давайте разберемся, как же он устроен. Структурная схема триггера приведена на рисунке 2.

Как видно из рисунка, состоит он из двух инвертеров (логических элементов «НЕ»), причем выход одного инвертера замкнут на вход другого.

Давайте рассмотрим, как же работают эти инвертеры при подаче различных сигналов на вход.

Первый случай, на вход S подана логическая единица, а на вход R – логический ноль, то есть установка триггера в единичное состояние. И так, если на вход S подать логическую единицу, то, пройдя через инвертер D.D2, она примет значение логического нуля. Таким образом, на выходе будет логический ноль. На вход R был подан логический ноль, в результате, на выходе инвертера D.D1 будет логическая единица, а, соответственно, на выходе Q будет так же логическая единица.

Если сигналы с входов снять (на вход S и R подать логический ноль), то состояние триггера не изменится. Логическая единица с выхода инвертера D.D1 пойдет на вход инвертера D.D2, а логический ноль с выхода D.D2 пойдет на вход инвертера D.D1, в результате чего на выходе инвертера D.D1 будет логическая единица. То есть мы замкнули цикл, который будет продолжаться до тех пор, пока будет на триггер подводиться питание. Зачем нужно питание, рассмотрим чуть позже, когда будем разбирать принцип устройства инвертера.

Рассмотрим второй случай, когда на вход S подан логический ноль, а на вход R –логическая единица, то есть сброс триггера. И так, если на вход S подать логический ноль, то, пройдя через инвертер D.D2, он примет значение логической единицы. Таким образом, на выходе будет логическая единица. На вход R была подана логическая единица, в результате, на выходе инвертера D.D1 будет логический ноль, а, соответственно, на выходе Q будет тот же логический ноль.

Так же, как и в первом случае, при снятии сигналов с входов R и S состояние триггера не изменится.

Давайте теперь более подробно рассмотрим принцип работы инвертера. Существуют различные способы организации инвертера, мы рассмотрим только один из них, самый простой. Этого будет вполне достаточно, чтобы понять принцип его организации. И так на рисунке 4 изображена структурная схема инвертера.

На рисунке представлена простейшая схема реализации инвертера, состоящая из одного транзистора. Давайте рассмотрим, как он работает.

На элемент всегда подается питание Uп. В результате, создаваемый ток может пойти либо по линии AB, в этом случае на выходе инвертера ток будет отсутствовать (будет логический ноль), либо – по линии AC, в этом случае на выходе инвертера ток будет присутствовать (будет логическая единица).

По линии AB ток пойдет, если транзистор VT1 будет открыт, а для этого необходимо подать напряжение на вход инвертера.

По линии AC ток пойдет, если транзистор VT1 будет закрыт, а это произойдет при отсутствии напряжении на входе инвертера.

Таким образом, если на вход инвертера подается логическая единица, то на выходе будет логический ноль. И, соответственно, при подаче на вход инвертера логического нуля, на выходе будет поучена логическая единица.

2. Устройство ячейки статической памяти.

Теперь, зная, как работает триггер и инвертер, рассмотрим устройство ячейки статической памяти и принцип ее работы. Естественно, рассматривать мы будем простейшую ячейку памяти. На практике используют множество дополнительных ухищрений для повышения скорости работы статической памяти. Но, зная принцип работы элементарной ячейки статической памяти, вы без особого труда в дальнейшем разберетесь и в принципе работы других реализаций ячеек статической памяти.

На рисунке 4 приведена упрощенная схема одного из способов организации ячейки статической памяти.

Как видите, она состоит из одного триггера и трех транзисторов, выполняющих роль ключей, открывающих и закрывающих доступ к ячейке памяти. Транзисторы VT1 и VT2 используются для разрешения и запрета записи в ячейку, а транзистор VT3 – для разрешения и запрета чтения.

Для записи данных необходимо подать напряжение в линию строки, после чего транзисторы VT1, VT2 и VT3 откроются. Затем для записи единицы необходимо подать напряжение, соответствующее логической единице, на линию D и напряжение, соответствующее логическому нулю, на линию . Для переключения триггера в состояние хранения нуля необходимо подать напряжение, соответствующее логическому нулю, на линию D и напряжение, соответствующее логической единице, на линию .

В установленном состоянии триггер будет оставаться даже после снятия напряжения с линии строки и с линий D и до тех пор, пока на него будет подаваться питание Uп.

Для считывания данных необходимо на выходы D и подать напряжение, соответствующее логическому нулю, так как подача двух логических нулей на входы триггера не изменит его состояния, а затем подать напряжение на строку. В результате, транзистор VT3 откроется, и ток с триггера по линии Q пройдет в устройство считывания. Одновременно с транзистором VT3 откроются транзисторы VT1 и VT2. Но так как напряжение на линиях D и соответствует логическому нулю, то оно не повлияет на состояние транзистора.

Считывание данных с ячейки статической памяти, в отличие от чтения с ячейки динамической памяти, не приводит к потере сохраненного бита данных, поэтому, перезапись данных в ячейку статической памяти не требуется.

3. Устройство микросхемы статической памяти.

Давайте перейдем к следующему этапу изучения работы статической памяти и рассмотрим ее общую логику работы. Для этого обратимся к упрощенной структурной схеме статической памяти, изображенной на рисунке 5.

Начнем с записи данных в статическую память и рассмотрим случай записи единицы в ячейку М 11 .

В контроллер шины памяти от контроллера памяти, встроенного в северный мост материнской платы или в процессор , приходит адрес ячейки памяти и данные для записи. Адрес ячейки преобразуется на две составляющие – номер строки и номер столбца. Номер строки передается в «Дешифратор адреса строки», откуда на нужную строку подается напряжение.

Так как мы рассматриваем запись в ячейку М 11 , то напряжение с дешифратора адреса строки подается на первую строку. В результате, транзисторы VT1, VT2 и VT3 открываются. Аналогичные транзисторы других ячеек памяти, располагающихся в этой строке, также открываются.

Через транзистор VT3 первой ячейки и аналогичные транзисторы других ячеек памяти первой строки пойдет ток, соответствующий состоянию триггеров этих ячеек, в «Буфер данных». Однако «Буфер данных» получаемую информацию будет игнорировать, так как у него нет сигнала от «Блока управления» на сохранение считываемых данных.

Параллельно с подачей напряжения на строку матрицы памяти с «Блока работы с данными» будет выдано напряжение, соответствующее записываемым данным, в «Блоки записи 1 - m», а с «Блока дешифровки адреса столбца» на соответствующие столбцы будет выдано разрешение (напряжение, соответствующее логической единице) на запись данных.

Блоки записи используются для запрета выдачи тока в линии D и при чтении данных и преобразования из входящих сигналов данных их инвертируемых сигналов для переключения состояния триггеров, в которые необходимо сохранить данные.

В нашем случае, запись проводится в ячейку М 11 , и записывается единица. Соответственно, с «Блока работы с данными» будет выдана логическая единица в «Блок записи 1», и с «Блока дешифровки адреса столбца» будет выдана логическая единица в «Блок записи 1».

Рассмотрим работу «Блока записи 1» при таких входных сигналах. И так, на входе элемента D.D3 будет логическая единица, а на выходе – логический ноль, так как элемент D.D3 – инвертер (логический элемент «НЕ»). Соответственно, на входах элемента D.D4 (логический элемент «И») будут: логический ноль и логическая единица. В результате, на выходе этого элемента будет логический ноль.

На входах элемента D.D5 (логический элемент «И») будут две логические единицы, в результате, на выходе этого элемента будет логический ноль.

Следовательно, на выходе D1 «Блока записи 1» будет напряжение, соответствующее логическому нулю, а на выходе 1 будет напряжение, соответствующее логической единице. Эти напряжения будут поданы на все ячейки памяти первого столбца. Однако у всех ячеек, кроме первой, транзисторы, разрешающие запись, закрыты, а, следовательно, подаваемое напряжение попадет только на триггер первой ячейки и переведет его в состояние хранения единицы.

После изменения состояния триггера первой ячейки напряжение с первой строки снимается, и транзисторы VT1, VT2 и VT3 закрываются, запрещая запись и чтение из ячейки.

При записи нуля в ячейку памяти все происходит по той же схеме, только с «Блока работы с данными» в «Блок записи 1» будет подано напряжение, соответствующее логическому нулю. Это значит, что на выходе D1 «Блока записи 1» будет напряжение, соответствующее логической единице, а на выходе 1 будет напряжение, соответствующее логическому нулю. Эти значения напряжений переведут триггер первой ячейки памяти в состояние хранения нуля.

В установленном состоянии триггер первой ячейки останется, пока на него будет подаваться питание Uп.

Чтение записи происходит еще проще. От контроллера памяти приходит адрес ячеек памяти, с которых требуется считать данные, и команда на чтение.

В результате, адрес преобразуется в номер строки, и на соответствующую строку будет подано напряжение, которое откроет транзисторы разрешения/запрета чтения/записи.

Рассмотрим случай, когда данные считываются из первой ячейки. В этом случае напряжение с «Дешифратора адреса строки» будет подано в первую строку, что приведет к открытию транзисторов VT1, VT2 и VT3 ячейки М 11 и всех остальных ячеек первой строки. Ток с триггера первой ячейки, через транзистор VT1, беспрепятственно пройдет в «Буфер данных». То же самое произойдет с остальными ячейками первой строки. Считанные с ячеек памяти первой строки данные сохранятся в «Буфере данных».

После того, как информация в «Буфере данных» будет сохранена, «Дешифратор адреса столбцов» выдаст номера столбцов, данные с которых необходимо считать, в «Буфер данных». Соответствующие данные будут переданы из микросхемы памяти в контроллер памяти, располагающийся в материнской плате или непосредственно в процессоре.

Для того чтобы при чтении данных не происходила запись в эти же ячейки, ведь транзисторы, разрешающие запись, открыты, блоки записи выдают в линии D и всех столбцов матрицы памяти напряжение, соответствующее логическому нулю. Это происходит из-за того, что с блока дешифровки адреса столбцов выдается напряжение, соответствующее логическому нулю на все «Блоки записи».

Как видите, работа статической памяти очень похожа на работу динамической памяти , однако процесс записи и чтения гораздо быстрее, так как не тратится время на заряд и разряд конденсаторов и не требуется регенерация ячеек. Однако необходимо обратить внимание, что рассмотренная нами схема сильно упрощена, и на практике используют гораздо более сложные механизмы записи и чтения из памяти, повышающие надежность и скорость работы статической памяти. Однако описанный выше принцип работы позволяет понять основы функционирования статической памяти, ее недостатки и преимущества. Давайте попробуем сформулировать их (основные недостатки и преимущества).

4. Достоинства и недостатки статической памяти.

Достоинства:

• высокая скорость работы;
• нет необходимости регенерации ячеек.

Недостатки:

• высокая цена;
• низкая плотность упаковки;
• небольшой объем;
• высокое энергопотребление.

В связи с перечисленными выше достоинствами и недостатками, область применения статической памяти ограничивается, в основном, использованием ее в качестве КЭШ-памяти, что позволяет при небольшом увеличении стоимости уменьшить влияние недостатков динамической памяти на производительность ЭВМ. Однако, это все лишь компромисс, позволяющий несколько сгладить разрыв в производительности процессора и памяти, и все вытекающие отсюда последствия.

Требуется кардинальное решение проблемы существующей с момента зарождения вычислительной техники. Существует множество экспериментальных разработок, позволяющих получить быструю и дешевую оперативную память, но многие из них пока существуют только в виде лабораторных образцов, многие имеют недостаточную надежность и так далее. Наиболее перспективный путь развития оперативной памяти – это использование магниторезистивной памяти, получающей все большее распространение.

"Научно-технические статьи" - подборка научно-технических статей радиоэлектронной тематики: новинки электронных компонентов , научные разработки в области радиотехники и электроники , статьи по истории развития радиотехники и электроники , новые технологии и методы построения и разработки радиоэлектронных устройств, перспективные технологии будущего, аспекты и динамика развития всех направлений радиотехники и электроники , обзоры выставок радиоэлектронной тематики.

Компания АМIС Technology уже достаточно известна на российском рынке микросхем памяти. Будучи последователем знаменитой UMC Group, компания AMIC Technology продолжает идти "на гребне волны" в производстве полного спектра продукции памяти. Что же касается применения микросхем памяти, то говорить об этом много нет смысла - она применяется везде. И если с постоянной памятью все более или менее понятно, то выбор оперативной памяти является довольно сложной задачей. Сколько существует микросхемотехника, столько же существует вопрос, что лучше - медленная, трудноуправляемая, но дешевая динамическая память, либо быстрая, напрямую сопрягаемая с процессором, но дорогая статическая память? Возможно, теперь есть компромиссное решение.

Принципы работы статической памяти

Статическая память называется статической именно потому, что информация в ней "статична", то есть, что я туда положил, то я оттуда и возьму через любой промежуток времени. Такая статичность достигается за счет использования в качестве базового элемента обычного триггера, собранного, например, на паре транзисторов.

P-N переходы транзисторов, на которые поданы постоянные смещения, надежно держат разность потенциалов, либо питание, либо землю (без учета падения напряжения на самом переходе), и возможно лишь два стабильных состояния, условно называемые "0" и "1". Располагаются транзисторы на кремниевой подложке, внутри которой формируются P-N переходы.

Таким образом, простейшим статическим элементом памяти емкостью 1 бит можно считать триггер, построенный на четырех P-N переходах. Теперь, если эти триггеры рассортировать, скажем, по 8, и на каждый из них вывести ножку дешифратора 3x8, то получится простейшая ячейка памяти емкостью 1 байт, которую уже можно адресовать, подав соответствующее значение на дешифратор. Выстроив линейку из таких дешифраторов, и применив к ней дешифратор более высокого порядка, мы уже получим полноценную микросхему статической памяти. Скорость выборки данных из статической памяти будет определяться лишь временем переходного процесса в полупроводниках, а скорость эта довольно большая. Поэтому время доступа к статической памяти исчисляется единицами наносекунд. Что же касается энергопотребления, то оно будет определяться, в основном, током через P-N переходы. Ну и, наконец, наиболее привлекательной стороной статической памяти является возможность прямого сопряжения с процессором, так как адресация осуществляется напрямую по шине адреса с указанием номера (адреса) ячейки.

При всех плюсах, у статической памяти есть достаточно серьезные недостатки. Что же получится, если мы захотим сделать статическую память очень большого объема? Для этого, помимо монтажа огромного количества триггеров, нужно как-то выворачиваться с дешифратором на огромное количество выводов. Не для кого не секрет, что сложность дешифратора растет с увеличением количества адресуемых объектов. Дешифратор 1x2 выполняется на одном триггере с прямым и инверсным выходами, 2x4, уже на 4-х элементах, а попробуйте сделать дешифратор 10x1024! А это всего 1 килобит! Применяется каскадирование дешифраторов, но от этого страдает скорость. Сделать можно, конечно же, все, но за это надо платить, что и доказывается стоимостью быстрой статической памяти большого объема.

Принципы работы динамической памяти

Еще Майкл Фарадей, проводя опыты по прохождению электрического тока через конденсатор, заметил, что последний способен хранить информацию о начальных условиях. Это свойство конденсатора, или просто емкости, и используется при построении элемента динамической памяти. Рассмотрим незаряженный конденсатор, когда разность потенциалов между его клеммами равна нулю. Приложим на некоторое время к конденсатору напряжение, равное напряжению питания. А что значит "некоторое время"? А это такое время, за которое заряд успеет перетечь с входных клемм на обкладки конденсатора. По истечению этого времени отключим конденсатор от нашего источника. Теоретически этот конденсатор будет хранить наше напряжение бесконечно долго, таким образом становясь подобным триггеру на двух транзисторах.

Все это было бы хорошо, если бы не реальная жизнь. В качестве диэлектрика используется оксидная пленка какого-нибудь металла (скажем, алюминия). Эта диэлектрическая пленка обладает хоть и малой, но проводимостью, а следовательно, конденсатор начинает разряжаться через эту оксидную пленку, тем самым выделяя на ней тепло и теряя информацию. Как только напряжение на емкости достигает минимально допустимого значения, мы вновь подключаем к конденсатору наше напряжение питания и вновь заряжаем его, после чего отводим клеммы. Вот эта процедура и есть всем известная и ненавистная процедура регенерации динамической памяти, которую каждый определенный промежуток времени проводит контроллер динамической памяти.

Для адресации динамической памяти используются не прямые адресные сигналы процессора, а адресные сигналы процессора, пропущенные через контроллер динамической памяти и еще сигналы CAS и RAS, вырабатываемые контроллером. Динамическая память имеет матричный принцип строения, и сигнал CAS стробирует выборку колонки, а сигнал RAS стробирует выборку ряда в этой колонке. Без сигналов CAS и RAS динамическая память становится бесполезной, так как способна хранить информацию без регенерации всего в течение нескольких микросекунд. На первый взгляд, в динамической памяти все плохо: и использование внешнего контроллера, и сложность управления. Но есть и значительные плюсы. Выполнить матрицу конденсаторов значительно проще, чем матрицу триггеров, достаточно "вставить" диэлектрики в нужных местах, а значит, динамическая память будет значительно дешевле статической. При необходимости создания динамической памяти большого объема тоже нет проблем, надо "вставить" диэлектрики чаще и быстрее проводить регенерацию. Поэтому динамическая память и получила большее распространение, чем статическая.

Динамическое ядро + статический интерфейс = SuperRAM

Когда-нибудь все мечты становятся реальностью. Мечтал человек получить динамическую память со статическим интерфейсом - и получил SuperRAM от AMIC Technology. Идея здесь предельно проста. Если для управления динамической памятью требуется дополнительный контроллер, то почему бы не встроить его в саму микросхему памяти. У читателя резонно возникнет вопрос: зачем это нужно? Ведь в современных микропроцессорах и микроконтроллерах есть интерфейсы динамической памяти? Отвечаю: да, вы правы, но микроконтроллеры, имеющие этот интерфейс, резко выделяются ценой, естественно в большую сторону. Далее, в подавляющем большинстве случаев это 32-разрядные процессоры, работающие с большой тактовой частотой, и применение к ним динамической памяти по меньшей мере нецелесообразно (если, конечно, не требуется больших объемов). Третье: большинство приложений до сих пор остались восьми-и шестнадцатиразрядными, где и контроллера DRAM нет, и быстродействие соответствующее, а вот объемы памяти зачастую требуются очень даже значительные. Вот именно для таких применений и существует SuperRAM от компании AMIC Technology.

Работа подобной памяти достаточно проста. Процедура регенерации динамического ядра SuperRAM происходит автоматически по истечению определенного времени (когда значения напряжения на емкостях упадут ниже критических), и стробирование происходит постоянно. При запросе процессором определенной ячейки адрес ее приходит на входной буфер микросхемы SuperRAM. И дальше, с первым же сигналом стробирова-ния отправляется к ядру SuperRAM, из которого и происходит выборка значений. Для процессора не имеет значения, что к нему подключена динамическая память, он работает с ней как с менее быстрой статической. Преимущества SuperRAM налицо: прямое сопряжение с совершенно любым процессором или устройством, у которого есть шина данных, адреса и сигналы выбора и записи, не требуется подключения дополнительного контроллера, осуществляющего регенерацию, большой объем за счет присутствия динамического ядра, низкая стоимость. Для примера приведем технические характеристики одного из последних представителей семейства SuperRAM от AMIC Technology - микросхемы A64E16161:

1. Объем: 32 Мбит, организованных 2 Мх 16 бит.
2. Время доступа по адресу: 70 нс.
3. Время доступа к странице: 25 нс.
4. Рабочий ток 20 мА, ток режима standby 10 мкА.
5. Полная совместимость с интерфейсом SRAM. Не требуется регенерации или стробирования.
6. Напряжение питания от 1,65 до 2,2 В.

Будущее SuperRAM

Сказать, что у подобного решения есть будущее - это ничего не сказать. Сейчас компания AMIC Technology достигла рубежа 32 Мбит, но не намерена на этом останавливаться. Уже в начале 2004 года, используя технологию 0,13 мкм, планируется начать серийное производство микросхем серии SuperRAM емкостью 64 Мбит. Время доступа также будет существенно уменьшено, а питание 2,0 В для микросхем памяти является одной из передовых возможностей. По своим возможностям и по стоимости такие продукты могут создать конкуренцию уже имеющимся модулям памяти, таким как SIMM, DIMM, SDRAM и даже DDR, что является немаловажным при проектировании систем нового поколения.

Статическая память - SRAM (Static Random Access Memory), как и следует из ее названия, способна хранить информацию в статическом режиме - то есть сколь угодно долго при отсутствии обращений (но при наличии питающего напряжения). Ячейки статической памяти реализуются на триггерах - элементах с двумя устойчивыми состояниями. По сравнению с динамической памятью эти ячейки более сложны и занимают больше места в кристалле, однако они проще в управлении и не требуют регенерации. Быстродействие и энергопотребление статической памяти определяется технологией изготовления и схемотехникой запоминающих ячеек.
Самая экономичная статическая память КМОП (или CMOS Memory) в тоже время и самая медленная память такого типа, имеет время доступа более 100 наносекунд, но зато пригодна для длительного хранения информации при питании от маломощной батареи. Применяется CMOS память в персональных компьютерах для хранения данных о конфигурации и для реализации внутренних часов.
Самая быстродействующая статическая память имеет время доступа в несколько наносекунд, что позволяет ей работать на частоте системной шины процессора, не требуя от него тактов ожидания. Относительно высокая удельная стоимость хранения информации и высокое энергопотребление при низкой плотности упаковки элементов не позволяет использовать SRAM в качестве оперативной памяти компьютеров.
Статические запоминающие устройства (SRAM) имеют перед динамическими то преимущество, что у них время выборки практически равно времени цикла записи или чтения. Выполненная по той же технологии что и процессор, статическая память имеет высокое быстродействие. Главным ограничением в использовании статической памяти является стоимость. При равной емкости с динамической, статическая память примерно в четыре раза дороже. Поэтому данный вид памяти получил распространение в высокопроизводительных системах в качестве внешней (относительно процессора) кэш памяти. Соотношение цена/производительность в этих системах играет не столь существенную роль. Однако, с появлением микросхем статической памяти большой емкости и ее удешевлением произойдет изменение сложившегося стереотипа использования схем памяти и производители компьютеров, возможно, пойдут на замену динамической памяти статической, пока же элементы статической памяти используются в оперативной динамической памяти, как быстрый конвейерный буфер для подготовки данных к выдаче на шину данных каждый такт системной шины.
Структура микросхемы статической памяти
Элементом памяти в статических ОЗУ является триггер, выполненный на транзисторах. Структура микросхемы статической памяти (рис.1.) включает матрицу накопителя содержащую М x N элементов памяти.

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

УНИВЕРСИТЕТ "ТУРАН"

Кафедра "информационных технологий"

тема:"Статическая память"

Выполнил: Айнакулов Д.А. 3курс, "ИС" 9 гр. Проверила: ЗиятбековаГ.З.

Алматы 2009 г.

1. Введение

2. Статическая память

4. Типы статической памяти

5. Заключение

Список использованной литературы

1. Введение

Персональные компьютеры PC сегодня стали незаменимыми помощниками человека во всех без исключения сферах человеческой деятельности. На компьютерах рассчитывают заработную плату и объем урожая, рисуют графики движения товаров и изменения общественного мнения, проектируют атомные реакторы и т.д.

Слово "компьютер" означает "вычислитель". Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. В настоящее время индустрия производства компьютерного железа и программного обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики развитых и развивающихся стран. Причины стремительного роста индустрии персональных компьютеров: невысокая стоимость; сравнительная выгодность для многих деловых применений; простота использования; возможность индивидуального взаимодействия с компьютеров без посредников и ограничений; высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации; высокая надежность, простота ремонта и эксплуатации; компьютерное железо адаптивно к особенностям применения компьютеров; наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения. Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постоянно расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного шара. Так что же представляет собой это уникальное человеческое изобретение? Первый признак, по которому разделяют компьютеры, - платформа. Можно выделить две основные платформы ПК: Платформа IBM – совместимых компьютеров включает в себя громадный спектр самых различных компьютеров, от простеньких домашних персоналок до сложных серверов. Именно с этим типом платформ обычно сталкивается пользователь. Кстати, совершенно не обязательно, что лучшие IBM – совместимые компьютеры изготовлены фирмой IBM – породивший этот стандарт "голубой гигант" сегодня лишь один из великого множества производителей ПК. Платформа Apple - представлена довольно популярными на Западе компьютерами Macintosh. Они используют своё, особое программное обеспечение, да и "начинка" их существенно отличается от IBM. Обычно IBM-совместимые ПК состоят из трех частей (блоков): системного блока; монитора (дисплея); клавиатуры (устройства, позволяющего вводить символы в компьютер). Развитие электронной промышленности осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через один год, сегодняшнее "чудо техники" становится морально устаревшим вследствие того, что компьютерное железо постоянно модифицируется, появляется новое программное обеспечение. Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того момента, как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств.

2. Статическая память

Статическая память, или SRAM (Statistic RAM) является наиболее производительным типом памяти. Микросхемы SRAM применяются для кэширования оперативной памяти, в которой используются микросхемы динамической памяти, а также для кэширования данных в механических устройствах хранения информации, в блоках памяти видеоадаптеров и т. д. Фактически, микросхемы SRAM используются там, где необходимый объем памяти не очень велик, но высоки требования к быстродействию, а раз так, то оправдано использование дорогостоящих микросхем. В персональных компьютерах с процессорами, у которых не было интегрированной на кристалле кэш-памяти второго уровня, всегда использовались микросхемы SRAM внешнего кэша. Для удешевления системных плат и возможности их модернизации производители системных плат с процессорами 486 и первых поколений Pentium устанавливали специальные кроватки (разъемы для микросхем с DIP-корпусом), в которые можно было устанавливать различные микросхемы SRAM, отличающиеся как по быстродействию и объему памяти, так и различной разрядностью. Для конфигурирования памяти на системной плате предусматривался набор джамперов. Для справки прямо на системной плате краской наносилась информация об установке джамперов, например, как показано в табл.(в колонках JS1 и JS2 указаны номера контактов, которые надо замкнуть перемычками).

Пример таблицы конфигурирования кэш-памяти на системной плате

Отметим, что изменением конфигурации кэш-памяти занимались только тогда, когда выходила из строя какая-либо микросхема кэш-памяти. В остальных случаях изменять положение джамперов не рекомендовалось. В дальнейшем, по мере разработки более совершенных микросхем SRAM, они непосредственно припаивались на системную плату в количестве 1, 2 или 4 штук. На системных платах, которые выпускаются в настоящее время, микросхемы SRAM используются, в основном, только для кэширования ввода/вывода и других системных функций.

3. Устройство матрицы статической памяти

Подобно ячейкам динамической, триггеры объединяются в единую матрицу, состоящую из строк (row) и столбцов (column), последние из которых так же называются битами (bit).

В отличии от ячейки динамической памяти, для управления которой достаточно всего одного ключевого транзистора, ячейка статической памяти управляется как минимум двумя. Это не покажется удивительным, если вспомнить, что триггер, в отличии от конденсатора, имеет раздельные входы для записи логического нуля и единицы соответственно. Таким образом, на ячейку статической памяти расходуется целых восемь транзисторов (см. рис.1) - четыре идут, собственно, на сам триггер и еще два - на управляющие "защелки".

Рис. 1. Устройство 6-транзистроной одно-портовой ячейки SRAM-памяти

Причем, шесть транзисторов на ячейку - это еще не предел! Существуют и более сложные конструкции! Основной недостаток шести транзисторной ячейки заключается в том, что в каждый момент времени может обрабатываться всего лишь одна строка матрицы памяти. Параллельное чтение ячеек, расположенных в различных строках одного и того же банка невозможно, равно как невозможно и чтение одной ячейки одновременно с записью другой.

Этого ограничения лишена многопортовая память. Каждая ячейка многопортовой памяти содержит один-единственный триггер, но имеет несколько комплектов управляющих транзисторов, каждый из которых подключен к "своим" линиям ROW и BIT, благодаря чему различные ячейки матрицы могут обрабатываться независимо. Такой подход намного более прогрессивен, чем деление памяти на банки. Ведь, в последнем случае параллелизм достигается лишь при обращении к ячейкам различных банков, что не всегда выполнимо, а много портовая память допускает одновременную обработку любых ячеек, избавляя программиста от необходимости вникать в особенности ее архитектуры.

Наиболее часто встречается двух - портовая память, устройство ячейки которой изображено на рис. 2. (внимание! это совсем не та память которая, в частности, применяется в кэше первого уровня микропроцессоров Intel Pentium). Нетрудно подсчитать, что для создания одной ячейки двух - портовой памяти расходуется аж восемь транзисторов. Пусть емкость кэш-памяти составляет 32 Кб, тогда только на одно ядро уйдет свыше двух миллионов транзисторов!

Рис. 2. Устройство 8-транзистроной двух портовой ячейки SRAM-памяти

Рис. 3. Ячейка динамической памяти воплощенная в кристалле

4. Типы статической памяти

Существует как минимум три типа статической памяти: асинхронная, синхронная и конвейерная. Все они практически ничем не отличаются от соответствующих им типов динамической памяти.

Асинхронная статическая память

Асинхронная статическая память работает независимо от контроллера и потому, контроллер не может быть уверен, что окончание цикла обмена совпадет с началом очередного тактового импульса. В результате, цикл обмена удлиняется по крайней мере на один такт, снижая тем самым эффективную производительность. "Благодаря" последнему обстоятельству, в настоящее время асинхронная память практически нигде не применяется (последними компьютерами, на которых она еще использовались в качестве кэша второго уровня, стали "трешки" - машины, построенные на базе процессора Intel 80386).

Синхронная статическая память

Синхронная статическая память выполняет все операции одновременно с тактовыми сигналами, в результате чего время доступа к ячейке укладывается в один-единственный такт. Именно на синхронной статической памяти реализуется кэш первого уровня современных процессоров.

Конвейерная статическая память

Конвейерная статическая память представляет собой синхронную статическую память, оснащенную специальными "защелками", удерживающими линии данных, что позволяет читать (записывать) содержимое одной ячейки параллельно с передачей адреса другой.

Так же, конвейерная память может обрабатывать несколько смежных ячеек за один рабочий цикл. Достаточно передать лишь адрес первой ячейки пакета, а адреса остальных микросхема вычислит самостоятельно, - только успевай подавать (забирать) записывание (считанные) данные!

Большинство из применяемых в настоящее время типов микросхем оперативной памяти не в состоянии сохранять данные без внешнего источника энергии, т.е. являются энергозависимыми (volatile memory). Широкое распространение таких устройств связано с рядом их достоинств по сравнению с энергонезависимыми типами ОЗУ (non-volatile memory): большей емкостью, низким энергопотреблением, более высоким быстродействием и невысокой себестоимостью хранения единицы информации.

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

Статическая и динамическая оперативная память

В статических ОЗУ запоминающий элемент может хранить записанную информацию неограниченно долго (при наличии питающего напряжения). Запоминающий элемент динамического ОЗУ способен хранить информацию только в течение достаточно короткого промежутка времени, после которого информацию нужно восстанавливать заново, иначе она будет потеряна. Динамические ЗУ, как и статические, энергозависимы.

Роль запоминающего элемента в статическом ОЗУ исполняет триггер. Такой триггер представляет собой схему с двумя устойчивыми состояниями, обычно состоящую из четырех или шести транзисторов (рис. 5.7). Схема с четырьмя транзисторами обеспечивает большую емкость микросхемы, а следовательно, меньшую стоимость, однако у такой схемы большой ток утечки, когда информация просто хранится. Также триггер на четырех транзисторах более чувствителен к воздействию внешних источников излучения, которые могут стать причиной потери информации. Наличие двух дополнительных транзисторов позволяет в какой-то мере компенсировать упомянутые недостатки схемы на четырех транзисторах, но, главное - увеличить быстродействие памяти.

Рис. 5.7. Запоминающий элемент статического ОЗУ

Запоминающий элемент динамической памяти значительно проще. Он состоит из одного конденсатора и запирающего транзистора (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Запоминающий элемент динамического ОЗУ

Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе интерпретируются как 1 или 0 соответственно. Простота схемы позволяет достичь высокой плотности размещения ЗЭ и, в итоге, снизить стоимость. Главный недостаток подобной технологии связан с тем, что накапливаемый на конденсаторе заряд со временем теряется. Даже при хорошем диэлектрике с электрическим сопротивлением в несколько тераом (10 12 Ом) используемом при изготовлении элементарных конденсаторов ЗЭ, заряд теряется достаточно быстро. Размеры у такого конденсатора микроскопические, а емкость имеет порядок 1СГ 15 Ф. При такой емкости на одном конденсаторе накапливается всего около 40 000 электронов. Среднее время утечки заряда ЗЭ динамической памяти составляет сотни или даже десятки миллисекунд, поэтому заряд необходимо успеть восстановить в течение данного отрезка времени, иначе хранящаяся информация будет утеряна. Периодическое восстановление заряда ЗЭ называется регенерацией и осуществляется каждые 2-8 мс,

В различных типах ИМС динамической памяти нашли применение три основных метода регенерации:

Одним сигналом RAS (ROR - RAS Only Refresh);

Сигналом CAS, предваряющим сигнал RAS (CBR - CAS Before RAS);

Автоматическая регенерация (SR - Self Refresh).

Регенерация одним RAS использовалась еще в первых микросхемах DRAM. На шину адреса выдается адрес регенерируемой строки, сопровождаемый сигналом RAS. При этом выбирается строка ячеек и хранящиеся там данные поступают на внутренние цепи микросхемы, после чего записываются обратно. Так как сигнал CAS не появляется, цикл чтения/записи не начинается. В следующий раз на шину адреса подается адрес следующей строки и т. д., пока не восстановятся все ячейки, после чего цикл повторяется. К недостаткам метода можно отнести занятость шины адреса в момент регенерации, когда доступ к другим устройствам ВМ блокирован.

Особенность метода CBR в том, что если в обычном цикле чтения/записи сигнал RAS всегда предшествует сигналу CAS, то при появлении сигнала CAS первым начинается специальный цикл регенерации. В этом случае адрес строки не передается, а микросхема использует свой внутренний счетчик, содержимое которого увеличивается на единицу при каждом очередном CBR-цикле. Режим позволяет регенерировать память, не занимая шину адреса, то есть более эффективен.

Автоматическая регенерация памяти связана с энергосбережением, когда система переходит в режим «сна» и тактовый генератор перестает работать. При отсутствии внешних сигналов RAS и CAS обновление содержимого памяти методами ROR или CBR невозможно, и микросхема производит регенерацию самостоятельно, запуская собственный генератор, который тактирует внутренние цепи регенерации.

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.