Память ЭВМ

Память ЭВМ — функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи данных. В соответствии с этим разли­чают три режима работы памяти:

• хранения;
• записи;
• счи­тывания.

Запоминающее устройство — устройство, реализующее функ­цию памяти данных. В ЗУ хранятся числа, над которыми должны быть произведены определенные действия, и числа — коды команд, определяющие характер этих действий. Запись в ЗУ или считыва­ние из него информации иначе называют обращением к ЗУ. Важ­нейшими характеристиками памяти (запоминающих устройств) ЭВМ являются ее емкость и быстродействие.

Емкость памяти определяет количество слов, которые могут храниться в памяти, и выражается в битах или байтах. Например» если память ЭВМ составляет 64 К байт, это означает, что она может хранить 64×1024 восьмиразрядных слов (К=1024). В настоящее время выпускаются БИС ОЗУ с емкостью в 256, 1024, 4096, 16 К бит.

Быстродействие памяти (ЗУ) определяется продолжительностью операции обращения к ЗУ. Время обращения t0 при записи инфор­мации складывается из времен поиска числа tп стирания ранее записанной  информации tст (при необходимости) и записи нового числа tзп т.е. t0=tп+tст+tзп. При считывании информации время цикла обращения складывается из времен поиска tп , считывания tвосст и восстановления t считанных кодов (при необходимости), t0=tп+tсч+tвосст.

Запоминающие устройства разделяют: по использова­нию — на внешние и внутренние (или оперативные); по назначению — сверхоперативные, оперативные, постоянные, бу­ферные и внешние; пофизическим принципам дей­ствия — на магнитные и полупроводниковые; по способу хранения информации — на статические и динамиче­ские; по способу доступа к заданной ячейке (для адресных ЗУ) — с последовательным, циклическим и произ­вольным доступом; по характеру обращения — с ад­ресным обращением (или адресной выборкой) и с ассоциативным обращением (ассоциативной выборкой).

В статических ЗУ цифровой код остается неподвижным относительно носителя информации в течение всего времени хранения информации; в динамических ЗУ цифровые коды находятся в непре­рывном движении относительно носителя информации.

В ЗУ с адресным обращением поиск необходимой информации производится по адресу — номеру запоминающей ячейки, в кото­рую во время записи была помещена эта информация.

В статических ЗУ адрес ячейки определяется ее местоположением в пространстве.

В ЗУ с ассоциативным обращением (в ассоциативных ЗУ) вы­борка информации происходит не по адресу, а по некоторому приз­наку, содержащемуся в самом хранимом слове, т. е. по содержанию.

В ЗУ с последовательным доступом осуществляется последова­тельное обращение к ячейкам до тех пор, пока не произойдет обра­щение к заданной ячейке. Примером такого ЗУ может служить накопитель на магнитной ленте (НМЛ). Здесь зона с нужной ин­формацией находится путем последовательного просмотра номеров зон при перемотке ленты.

В ЗУ с циклическим доступом информация из заданной ячейки считывается только в определенные моменты, разделенные интерва­лом времени. Интервал времени между считыванием двух слов на­зывается циклом работы такого ЗУ.

В ЗУ с произвольным доступом информация записывается и счи­тывается по любому адресу. В этих ЗУ время обращения к требуе­мой ячейке не зависит от того, к какой именно ячейке обращаются, а зависит от быстродействия коммутационных схем, обеспечиваю­щих выбор заданной ячейки. Запоминающие устройства с произволь­ным доступом наиболее быстродействующие.

Для получения в ЭВМ одновременно большой информационной емкости и высокого быстродействия используется иерархический принцип построения ЗУ.

Техническая реализация иерархических структур обеспечивает большую емкость памяти и малое время обращеных и программ текущих вычислений, а также программ, к которым следует быстро перейти, если в ходе вычислительного процесса воз­никло прерывание. Оперативные ЗУ современных ЭВМ имеют ем­кость от нескольких тысяч до сотен тысяч слов и период обращения от долей до нескольких микросекунд. Оперативное ЗУ может быть связано с процессором как непосредственными связями, так и через СОЗУ.

В качестве элементов памяти ОЗУ и СОЗУ используются ферритовые сердечники, полупроводниковые элементы, тонкие магнит­ные пленки и др.

Внешние ЗУ (ВЗУ). Они предназначены для хранения больших массивов информации. Объем данных, которые могут одновременно храниться в таких ЗУ, обычно превышает сотни миллионов слов, однако период обращения к ним составляет от нескольких миллисекунд до нескольких десятков секунд. Данные, хранящиеся во внешних ЗУ, непосредственно не используются в вычислительном процессе, а передаются из ВЗУ в ОЗУ. В качестве внешних ЗУ чаще всего используют накопители информации на магнитных лен­тах (НМЛ) и дисках (НМД).

Буферные ЗУ (БЗУ). Эти ЗУ используются для промежуточного хранения данных при обмене между устройствами с разным быстро­действием, например между ОЗУ и ВЗУ. По емкости и быстродейст­вию БЗУ занимают промежуточное место между ОЗУ и ВЗУ; они могут быть построены на полупроводниковых элементах, ферритовых сердечниках и магнитных дисках.

Постоянные (односторонние) ЗУ (ПЗУ). Такие ЗУ предназначе­ны только для хранения и считывания информации, которая не изме­няется в процессе вычислений (например, постоянно используемые программы, различные константы, таблицы функций, микропрограм­мы и т. д.), В ПЗУ информация записывается один раз при изготовлении, а при работе только считывается. Такие ПЗУ имеют мень­шую аппаратную сложность, чем ОЗУ.

На рис. 1 (а) приведена обобщенная схема иерархии запоминаю­щих устройств ЭВМ. В конкретных условиях набор ступеней иерар­хии, а также количество блоков ОЗУ, ВЗУ, ПЗУ может быть раз­личным. На уровне I иерархии используются сравнительно небольшие, но быстродействующие СОЗУ, тесно связанные с процессором Пр. К ЗУ уровня 2 относятся ЗУ с произвольной выборкой, обла­дающие большей емкостью, чем ЗУ уровня 1, но имеющие более низкое быстродействие. К уровню 3 иерархии относятся ВЗУ с плавающим временем выборки, низким быстродействием, но с большой емкостью (НМД, НМЛ и т. д.).

Запоминающее устройство содержит следующие узлы, блоки и элементы (рис. 1 (б)). Накопитель информации НИ— часть ЗУ, в которой происходит запись и хранение слов и из которой при необходимости можно считать записанное ранее слово, содержит ячейки памяти (ЯП), каждая из которых может хранить часть слова, слово или несколько слов. Ячейка состоит из запоминающих эле­ментов (ЗЭ), каждый из которых предназначен для хранения одного бита двоичной информации. Как правило, количество ЗЭ в ЯП равно разрядности хранимого слова. Запоминающий элемент может быть выполнен на ферритовых сердечниках, тонких магнитных пленках и на полупроводниковых элементах. Блок коммутации БК Рас­шифровывает код адреса, устанавливает адрес заданного слова в НИ и вырабатывает сигналы требуемой мощности, необходимые Д^ля работы выбранной ЯП. Блок записи БЗп преобразует машинное слово в сигналы, воздействующие на носитель информации при записи. Блок считывания БСч преобразует изменения параметров ЗЭ в процессе считывания в машинное слово. Блок управления БУ управляет в определенной временной последовательности всем блоками ЗУ. Регистр адреса РгА принимает и хранит адрес  к которой производится обращение. Регистр слова РгСл принимает и хранит принятое слово, которое поступает либо из НИ, либо магистрали слов от других устройств ЭВМ. Связь ЗУ с другими устройствами ЭВМ осуществляется при помощи магистралей слов адресов и управления.

При обращении к ЗУ по магистрали управления в БУ поступают управляющие сигналы, определяющие режимы работы ЗУ. При этом по магистрали адресов МА в регистр РгА поступает адрес одной ЯП или группы ЯП и, если необходимо, по магистрали слов МСл в регистр РгСл — одно слово (или группа слов) для записи в НИ. Блок управления БУ выдает определенную последовательность импульсов, управляющих работой всех узлов ЗУ. Код адреса зано­сится в регистр РгА, дешифрируется в Б К. В последнем устанав­ливается адрес заданного слова и формируются управляющие импульсы соответствующей мощности для считывания и записи информации выбранной ЯП.

При считывании информации параметры элементов памяти вы­бранной ячейки под действием импульсов считывания изменяются и преобразуются в блоке считывания БСч в машинное слово, которое поступает в регистр РгСл, а с него—в магистраль слов. При исполь­зовании для ЗЭ ферритовых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса считывание приводит к разрушению хранящейся в ЯП информации. В этом случае после каждого считывания информация из регистра РгСл должна поступать в блок БЗп для записи ее в ту же ЯП. Этот процесс называют восстановлением или регенерацией. Блок БЗп преобразует машинное слово, поступающее из регистра РгСл, в сигналы, воздействующие на носитель информации, изме­няя согласно записываемому коду параметры соответствующих ЗЭ. Хранение записанной информации в НИ основывается на способности ЗЭ устойчиво сохранять параметры заданных физи­ческих состояний, которое при считывании может быть выделено блоком БСч.