Объем пзу. Назначение и характеристика ПЗУ. Статические параметры ОУ
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации, например, таблиц, программ, каких-либо констант. Информация в ПЗУ хранится при отключенном источнике питания, т. е. ПЗУ являются энергонезависимыми микросхемами памяти и работают только в режиме многократного считывания информации.
По способу занесения информации в ПЗУ (программирования) их делят на 3 группы:
§ Однократно программируемые изготовителем, называемые масочными (заказными) или сокращенно ПЗУМ, а по буржуйски ROM.
§ Однократно программируемые пользователем (обычно способом пережигания плавких перемычек на кристалле) или ППЗУ, а по буржуйски PROM.
§ Многократно программируемые пользователем (репрограммируемые) или РПЗУ. По-буржуйски EPROM.
В однократно программируемых ПЗУ вместо элемента памяти, как в ОЗУ, ставится перемычка между шинами в виде пленочных проводников, диодов, транзисторов. Наличие перемычки соответствует лог. 1, ее отсутствие - лог. 0 или наоборот. Процесс программирования таких ПЗУ заключается в пережигании ненужных перемычек и поэтому в дальнейшем ПЗУ такого рода программировать нельзя.
Репрограммируемое ПЗУ
Репрограммируемые ПЗУ разделяются на два класса:
§ С режимом записи и стирания электрическим сигналом.
§ С режимом записи электрическим сигналом и стиранием ультрафиолетовым излучением.
Микросхемы РПЗУ допускают возможность многократного программирования (от сотен до тысяч циклов), способны сохранять информацию при отсутствии питания несколько тысяч часов, требуют значительного времени на перепрограммирование (что исключает возможность использовать в качестве ОЗУ), имеют сравнительно большое время считывания.
Элементом памяти в РПЗУ является полевой транзистор со структурой МНОП или МОП с плавающим затвором или ЛИЗМОП - МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда. Эти транзисторы под воздействием программирующего напряжения способны записать электрический заряд под затвором и сохранять его много тысяч часов без напряжения питания. Для того, чтобы перепрограммировать такое ПЗУ необходимо сначала стереть записанную ранее информацию. В РПЗУ на МНОП транзисторах стирание производится электрическим сигналом, который вытесняет накопленный под затвором заряд. В РПЗУ на ЛИЗМОП транзисторах стирание записанной информации происходит под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, которое облучает кристалл через специальное окно в корпусе микросхемы.
РПЗУ со стиранием УФ излучением имеют ряд недостатков, по сравнению с РПЗУ со стиранием электрическим сигналом. Так, например, для стирания информации УФ необходимо вынимать микросхему из контактных устройств (панелек), что не совсем удобно. К тому же, наличие окна в корпусе обуславливает чувствительность микросхемы РПЗУ к свету, что увеличивает вероятность случайного стирания информации. Да и число циклов перепрограммирования всего лишь нескольких десятков, когда у РПЗУ со стиранием электрическим сигналом это же число достигает 10000.
Элементы памяти ПЗУ (РПЗУ).
Основное требование к такой ячейке – сохранение информации при отключенном питании. Рассмотрим схему однотранзисторной ЗЯ для биполярного ПЗУ.
В эмиттерной цепи транзистора предусмотрена плавкая перемычка (П), которая в необходимых случаях может разрушаться при первоначальном программировании.
При обращении к ЗЯ по адресной линии в случае неразрушенной перемычки в РЛ будет протекать эмитерный ток транзистора. В случае разрушенной перемычки ток протекать не будет.
Элемент памяти ПЗУ может быть выполнен и на МОП-транзисторах. Однако биполярные ПЗУ имеют более высокое быстродействие (время обращения 20…60 нс), но и большую рассеиваемую мощность, чем ПЗУ на МОП-транзисторах (время обращения 200…600 нс).
Репрограммируемые ПЗУ в настоящее время выполняются двух типов. В РПЗУ первого типа матрица элементов памяти изготавливается аналогично матрице ПЗУ на основе МОП-транзисторов, но у которых между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается тонкий слой нитрида кремния (МНОП-транзисторы). Нитрид кремния способен захватывать и сохранять длительное время (до 10 лет и более) электрический заряд. В исходном состоянии транзистор имеет высокое напряжение открывания (10…15)В, которое понижается до рабочих уровней после зарядки слоя нитрида кремния. Чтобы зарядить слой нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора подается высоковольтный программирующий импульс, по амплитуде в несколько раз превышающий рабочие уровни напряжений (15…20)В. При подаче сигнала на адресную линию, подключенную к затворам транзисторов, происходит открывание только заряженных транзисторов. Таким образом, наличие заряда приводит к тому, что ЭП хранит 0, а его отсутствие – 1.
Для стирания записанной информации, т.е. удаления заряда захваченного слоем нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора необходимо подать импульс напряжения противоположный, чем при записи полярности.
Другие варианты ЭП РПЗУ выполняются на МНОП-транзисторах плавающим (изолированным) затвором. Подача высокого напряжения между истоком и стоком вызывает накопление в плавающем затворе заряда, создающего проводящий канал между стоком и истоком. Стирание информации осуществляется облучением транзисторов через кварцевое окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов и переводит их в непроводящее состояние.
Стирание информации таким способом имеет ряд очевидных недостатков, которые отсутствуют при электрическом стирании. Для этого в транзисторе выполняется второй управляющий затвор. Однако, ввиду большой площади ЭП, микросхемы РПЗУ с электрическим стиранием имеют в 2…4 раза меньшую информационную емкость, чем микросхемы со стиранием ультрафиолетовым светом.
Вопрос
Аналоговая схемотехника
Несмотря на все достижения цифровой вычислительной техники, в ряде случаев оказывается рационально производить математические вычисления с аналоговыми сигналами в аналоговом виде. Особенно если в окончательном виде необходимо получить результат в виде аналогового сигнала. Вычислительное устройство в этом случае получается намного проще цифрового и намного более быстродействующее. В аналоговом виде можно совершать все основные арифметические операции, операции логарифмирования и антилогарифмирования, дифференцирования и интегрирования и решение систем линейных дифференциальных уравнений. До того, как появились цифровые вычислительные устройства, в научных исследованиях широко использовались аналоговые вычислительные машины. Теперь их время кончилось, но при решении конкретных задач электроники все еще можно в ряде случаев с успехом использовать аналоговые методы вычислений. Погрешность вычислений в аналоговом виде обычно не превышает 1% и результат получается за время порядка 1 микросекунды. Хотя точность получается намного хуже, чем при цифровых методах вычислений, но все же может оказаться приемлемой. Зато по быстродействию аналоговые вычислительные устройства могут иметь преимущество перед цифровыми.
Усилительный каскад
Существенное уменьшение дрейфа нуля в усилителе постоянного тока достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис.2.15) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие
Данное свойство моста уменьшают влияние нестабильности источника питания и изменения параметров элементов схемы на процесс усиления входного сигнала.
На рис.2.16 представлена схема, с помощью которой объясняется принцип работы дифференциального усилительного каскада. Схема состоит из двух частей: мостовой и источника стабильного тока, представленные в виде источника тока I э . В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторами R и R (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15), а два других транзисторами Т и Т (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов Т и Т в одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов R и R . Если при повышении температуры в процессе работы этих элементов значения их параметров изменяются одинаково, то условие (2.18) выполняется. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.
Рис. 2.15. Схема четырехплечего Рис.2.16. Схема дифференциального моста усилительного каскада
Вопрос
Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.
Обозначения на схеме
Выводы для подачи напряжения питания (V S+ и V S-) могут обозначаться по-разному. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же - обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала.
1) Суммирующие и вычитающие устройства на ОУ
2) Измерительные усилители на ОУ
3) Интегратор
4) Дифференциатор
Вопрос
Статические параметры ОУ:
Коэффициент усиления KД . Является основным параметром ОУ на очень низкой частоте. Он определяется отношением выходного напряжения Uвых ОУ без ОС в режиме холостого хода к дифференциальному (разностному). Uвх.д = Uвх1 - Uвх.
Передаточная характеристика ОУ по постоянному току - это зависимость постоянного
выходного напряжения Uвых от постоянного входного дифференциального сигнала Uвх.д.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала K ос. сф = K Д/K с . Можноопределить, если подать на оба входа ОУ одинаковые напряжения, обеспечив при этом нулевое значение
U вх. д. Выходное напряжение также должно остаться равным нулю.
Входное сопротивление . Это сопротивление ОУ по отношению к входному сигналу.
Выходное сопротивление ОУ (R д. вых) . Определяется как для любого дру-
гого усилителя.
Минимальное сопротивление нагрузки (R H min) . Его значение определяется предельным выходным током при номинальном выходном напряжении.
Входное напряжение смещения (U вх. см) . Определяет постоянное напряжение, которое следует присоединить к входу ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Этот параметр учитывает разбаланс и несимметрию входного дифференциального каскада ОУ.
Входной ток смещения (I вх. см) . Равен среднему арифметическому значению двух входных токов ОУ при выходном напряжении, равном нулю, т. е. I вх. см = (I вх1 + I вх2)/2.
Разность входных токов (ΔI вх = I вх1 - I вх2) . Это абсолютное значение разности токов двух входов ОУ при выходном напряжении, равном нулю. Этот параметр, подобно U вх.см, также в значительной степени характеризует величину несимметрии входных каскадов ОУ.
Температурный дрейф напряжения смещения ΔU вх. см/Δt и разности входных токов ΔI вх/Δt . Температурный дрейф соответствует изменению одного из параметров, вызванному изменением температуры окружающей среды на 1 °C.
Коэффициент влияния нестабильности источника напряжения питания K вл. п . Это отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений U п.
Характеристики:
Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики . Операцион-
ные усилители, имеющие трехкаскадную структуру для малого сигнала, об-
ладают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами.
Переходная характеристика ОУ . Переходная характеристика ОУ
позволяет в режиме малого сигнала определить линейные искажения им-
пульсного сигнала, в том числе время нарастания выходного сигнала при
воздействии единичного напряжения на входе усилителя.
Скорость нарастания выходного напряжения V U = ΔU вых/Δt .
Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже
Схема включения неинвертирующего усилителя.
Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.
Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением
Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя
Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.
Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.
Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже
Схема инвертирующего усилителя.
Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид
Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен
Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.
Интегратор
Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже
Интегратор на операционном усилителе.
Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.
Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит
Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования
Дифференциатор
Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже
Дифференциатор на операционном усилителе.
Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.
Выходное напряжение составит
Компьютеры и любая электроника - сложные устройства, принципы работы которых не всегда понятны большинству обывателей. Что такое ПЗУ и зачем устройство необходимо? Большинство людей не смогут дать ответ на этот вопрос. Попробуем исправить это недоразумение.
Что такое ПЗУ?
Чем они являются и где используются? Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) представляют собой энергонезависимую память. Технологически они реализованы как микросхема. Одновременно мы узнали, какова аббревиатуры ПЗУ расшифровка. Предназначены устройства для хранения информации, введённой пользователем, и установленных программ. В постоянном запоминающем устройстве можно найти документы, мелодии, картинки - т.е. всё, что должно храниться на протяжении месяцев или даже лет. Объемы памяти, в зависимости от используемого устройства, могут меняться от нескольких килобайт (на простейших устройствах, имеющих один кристалл кремния, примером которых являются микроконтроллеры) до терабайтов. Чем больше объем ПЗУ - тем больше объектов может быть сохранено. Объем прямо пропорционален количеству данных. Если уплотнить ответ на вопрос, что такое ПЗУ, следует ответить: это которое не зависит от постоянного напряжения.
Жесткие диски как основные постоянные запоминающие устройства
На вопрос, что такое ПЗУ, уже дан ответ. Теперь следует поговорить о том, какие они бывают. Основным постоянным запоминающим устройством являются жесткие диски. Они есть в каждом современном компьютере. Используются они благодаря своим широким возможностям накопления информации. Но при этом существует ряд ПЗУ, которые используют мультиплексоры начальные загрузчики и прочие подобные электронные механизмы). При детальном изучении будет нужно не только понимать значение ПЗУ. Расшифровка других терминов тоже необходима, для того, чтобы вникнуть в тему.
Расширение и дополнение возможностей ПЗУ благодаря флеш-технологиям
Если стандартного пользователю не хватает, то можно воспользоваться дополнительным расширением возможностей предоставленного ПЗУ в сфере хранения данных. Осуществляется это посредством современных технологий, реализованных в картах памяти и USB-флеш-накопителях. В их основе лежит принцип многоразового использования. Другими словами, данные на них можно стирать и записывать десятки и сотни тысяч раз.
Из чего состоит постоянное запоминающее устройство
В составе ПЗУ находится две части, которые обозначаются как ПЗУ-А (для хранения программ) и ПЗУ-Э (для выдачи программ). Постоянное запоминающее устройство типа А является диодно-трансформаторной матрицей, которая прошивается с помощью адресных проводов. Этот раздел ПЗУ выполняет главную функцию. Начинка зависит от материала, из которого сделаны ПЗУ (могут применяться перфорационные и магнитные ленты, перфокарты, магнитные диски, барабаны, ферритовые наконечники, диэлектрики и их свойство накопления электростатических зарядов).
Схематическое строение ПЗУ
Этот объект электроники изображается в виде устройства, которое по внешнему виду напоминает соединение определённого числа одноразрядных ячеек. Микросхема ПЗУ, несмотря на потенциальную сложность и, казалось бы значительные возможности, по размеру мала. При запоминании определённого бита производится запайка к корпусу (когда записывается нуль) или к источнику питания (когда записывается единица). Для увеличения разрядности ячеек памяти в постоянных запоминающих устройствах микросхемы могут параллельно соединяться. Так и делают производители, чтобы получить современный продукт, ведь микросхема ПЗУ с высокими характеристиками позволяет им быть конкурентными на рынке.
Объемы памяти при использовании в различных единицах техники
Объемы памяти разнятся в зависимости от типа и предназначения ПЗУ. Так в простой бытовой технике вроде стиральных машинок или холодильников можно хватает установленных микроконтроллеров (с их запасов в несколько десятков килобайт), и в редких случаях устанавливается что-то более сложное. Использовать большой объем ПЗУ здесь не имеет смысла, ведь количество электроники невелико, и от техники не требуется сложных вычислений. Для современных телевизоров требуется уже что-то более совершенное. И вершиной сложности является вычислительная техника вроде компьютеров и серверов, ПЗУ для которых, как минимум, вмещают от нескольких гигабайт (для выпущенных лет 15 назад) до десятков и сотен терабайт информации.
Масочное ПЗУ
В случаях, когда запись ведётся при помощи процесса металлизации и используется маска, такое постоянное запоминающее устройство называется масочным. Адреса ячеек памяти в них подаются на 10 выводов, а конкретная микросхема выбирается с помощью специального сигнала CS. Программирование этого вида ПЗУ осуществляется на заводах, вследствие этого изготовление в мелких и средних объемах невыгодно и довольно неудобно. Но при крупносерийном производстве они являются самым дешевым среди всех постоянных запоминающих устройств, что и обеспечило им популярность.
Схематически от общей массы отличаются тем, что в запоминающей матрице соединения проводников заменены плавкими перемычками, изготовленные из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки, и компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Но во время подготовительного программирования подаётся повышенное напряжение, с помощью которого оставляют логические единицы. При подаче низких напряжений перемычки испаряются, и компьютер считывает, что там логический нуль. По такому принципу действуют программируемые постоянные запоминающие устройства.
Программируемые постоянные запоминающие устройства
ППЗУ оказались достаточно удобными в процессе технологического изготовления, чтобы к ним можно было прибегать при средне- и мелкосерийном производстве. Но такие устройства имеют и свои ограничения - так, записать программу можно только раз (из-за того, что перемычки испаряются раз и навсегда). Из-за такой невозможности использовать постоянное запоминающее устройство повторно, при ошибочном записывании его приходится выбрасывать. В результате повышается стоимость всей произведённой аппаратуры. Ввиду несовершенства производственного цикла эта проблема довольно сильно занимала умы разработчиков устройств памяти. Выходом из этой ситуации стала разработка ПЗУ, которое можно программировать заново многократно.
ПЗУ с ультрафиолетовым или электрическим стиранием
И получили такие устройства название «постоянное запоминающее устройство с ультрафиолетовым или электрическим стиранием». Создаются они на основе запоминающей матрицы, в которой ячейки памяти имеют особую структуру. Так, каждая ячейка является МОП-транзистором, в котором затвор сделан из поликристаллического кремния. Похоже на предыдущий вариант, верно? Но особенность этих ПЗУ в том, что кремний дополнительно окружен диэлектриком, обладающим чудесными изолирующими свойствами, - диоксидом кремния. Принцип действия здесь базируется на содержании индукционного заряда, который может храниться десятки лет. Тут есть особенности по стиранию. Так, для ультрафиолетового ПЗУ-устройства необходимо попадание ультрафиолетовых лучей, идущих извне (ультрафиолетовой лампы и т.д.). Очевидно, что с точки зрения простоты эксплуатация постоянных запоминающих устройств с электрическим стиранием является оптимальным, так как для их активации необходимо просто подать напряжение. Принцип электрического стирания был с успехом реализован в таких ПЗУ, как флеш-накопители, которые можно увидеть у многих.
Но такая ПЗУ-схема, за исключением построения ячейки, структурно не отличается от обычного масочного постоянного запоминающего устройства. Иногда такие устройства называют ещё репрограммируемыми. Но при всех преимуществах имеются и определённые границы скорости стирания информации: для этого действия обычно необходимо около 10-30 минут.
Несмотря на возможность перезаписи, репрограммируемые устройства имеют ограничения по использованию. Так, электроника с ультрафиолетовым стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. Затем разрушающее влияние излучения становится настолько ощутимым, что они перестают функционировать. Увидеть использование подобных элементов можно в качестве хранилищ для программ BIOS, в видео- и звуковых картах, для дополнительных портов. Но оптимальным относительно перезаписи является принцип электрического стирания. Так, число перезаписей в рядовых устройствах составляет от 100 000 до 500 000! Существуют отдельные ПЗУ-устройства, которые могут работать и больше, но большинству пользователей они ни к чему.
ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память, которая, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.
В ПЗУ находятся:
Тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
Программы для управления основными периферийными устройствами - дисководом, монитором, клавиатурой;
Информация о том, где на диске расположена операционная система.
Типы ПЗУ:
ПЗУ с масочным программированием это память, в которую информация записана раз и навсегда в процессе изготовления полупроводниковых интегральных схем. Постоянные запоминающие устройства применяются только в тех случаях, когда речь идет о массовом производстве, т.к. изготовление масок для интегральных схем частного применения обходится весьма недешево.
ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство).
Программирование ПЗУ – это однократно выполняемая операция, т.е. информация, когда-то записанная в ППЗУ, впоследствии изменена быть не может.
СППЗУ (стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство). При работе с ним, пользователь может запрограммировать его, а затем стереть записанную информацию.
ЭИПЗУ (электрически изменяемое постоянное запоминающее устройство). Его программирование и изменение осуществляются с помощью электрических средств. В отличии от СППЗУ для стирания информации, хранимой в ЭИПЗУ, не требуется специальных внешних устройств.
Наглядно ОЗУ и ПЗУ можно представить себе в виде массива ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом байта.
Центральный процессор при работе с ОЗУ должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память. Разумеется, из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из ОЗУ или ПЗУ данные процессор записывает в свою внутреннюю память, устроенную аналогично ОЗУ, но работающую значительно быстрее и имеющую емкость не более десятков байт.
Процессор может обрабатывать только те данные, которые находятся в его внутренней памяти, в ОЗУ или в ПЗУ. Все эти виды устройства памяти называются устройствами внутренней памяти, они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера (внутренняя память процессора находится в самом процессоре).
Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.
Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).
В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.
Основные положения.
Память в микропроцессорной системе выполняет функцию хранения данных. Различные типы памяти предназначены для хранения различных типов данных. Подробнее это будет рассмотрено ниже.
Информация в памяти хранится в ячейках, количество разрядов которых равно количеству разрядов шины данных процессора. Обычно оно кратно восьми. Это связано с тем, что байт является восьмиразрядной единицей измерения. Поэтому объём памяти чаще всего измеряется в байтах независимо от разрядности ячейки памяти.
Допустимое количество ячеек памяти определяется количеством разрядов шины адреса как 2N, где N - количество разрядов шины адреса.
Используются также следующие более крупные единицы объема памяти: килобайт - 210=1024 байта (обозначается Кбайт), мегабайт – 220=1 048 576 байт (обозначается Мбайт), гигабайт - 230 байт (обозначается Гбайт), терабайт - 240 (обозначается Тбайт). Например, если память имеет 65 536 ячеек, каждая из которых 16-разрядная, то говорят, что память имеет объем 128 Кбайт. Совокупность ячеек памяти называется обычно пространством памятисистемы.
Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 8.1). Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 2.18).
Обычно в составе системы имеется несколько модулей памяти, каждый из которых работает в своей области пространства памяти. Селектор адреса как раз и определяет, какая область адресов пространства памяти отведена данному модулю памяти. Схема управления вырабатывает в нужные моменты сигналы разрешения работы памяти (CS – Chip Select) и сигналы разрешения записи в память (WR — Write-Read). Буферы данных передают данные от памяти к магистрали или от магистрали к памяти. В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции.
Классификация модулей памяти.
Классификация памяти необходима для более чёткого понимания того, для чего та или иная память будет использоваться.
Прежде всего, память делится на две основные подгруппы: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
Постоянным запоминающим устройством называют энергонезависимую память, т.е. память, не зависящую от наличия напряжения питания на устройстве. В таком устройстве информация может храниться длительное время без подключения его к источнику питания.
Данный тип памяти предназначен для хранения информации, которая не должна быть уничтожена при пропадании питания на устройстве. К таким данным можно отнести программу для микроконтроллера, данные о настройке этой программы, различные файлы. К файлам могут относиться графические изображения, данные, снятые с датчиков и т.д.
Существует множество различных реализаций ПЗУ. В микроконтроллерах наибольшую популярность получили две технологии. Это – EEPROM (Electronically Erasable Programmable ROM – электрически стираемая программируемая энергонезависимая память) и flash (Flash Erase EEPROM).
EEPROM была разработана в 1979 году фирмой Intel. Эта память имеет возможность перепрограммирования при подключении её к стандартной шине процессора. Причём стирание любой ячейки памяти происходит автоматически при записи в неё новых данных. Т.о. в этом типе памяти существует возможность изменить информацию в одной ячейке без затрагивания соседних ячеек.
Flash память является дальнейшим развитием EEPROM. В ней используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. И другая организация доступа к ячейкам памяти. В результате чего доступ к ячейкам стал быстрее. Но стирание в flash памяти производится только для определённого блока данных, либо для всей микросхемы в целом. Стереть один элемент в ней невозможно. А так как запись в этом типе микросхемы (для типа памяти NAND) производится поэлементным «И» текущего состояния ячейки с данными которые надо записать, то верные данные будут записаны в ячейку только в том случае, если в ней будут записаны только одни единицы. Установить в ячейке единицу можно только функцией стирания. Никакой записью данных этого сделать нельзя. Следовательно, для того, чтобы записать данные в одну ячейку памяти, надо скопировать в стороннюю память весь блок, который будет стёрт, стереть его. В памяти поменять значение нужной ячейки и уже изменённый блок записать обратно.
Как можно видеть работа с отдельными ячейками данных медленная из-за необходимости каждый раз копировать и стирать целый блок данных. Но работа сразу со всем блоком на много быстрее чем в EEPROM.
Т.о. во Flash имеет смысл хранить информацию, которая будет изменяться редко (или никогда). А в EEPROM можно записывать настройки программы, которые должны сохраниться после отключения устройства от питания.
Flash память бывает двух типов – это NOR и NAND. NOR (Not OR) имеет быстрый произвольный доступ к ячейкам памяти и возможность побайтовой записи. NAND (Not AND) позволяет производить быструю запись и стирание данных, но имеет несколько большее время произвольного доступа к данным по сравнению с NOR.
Исходя из особенностей структур памяти, NAND обычно используется для хранения информации, считываемой потоком, такой как видео, музыка и т.д. NOR же используется для хранения программы, благодаря высокой скорости чтения произвольного байта данных.
ПЗУ имеет относительно низкое быстродействие и не может быть использован для хранения информации, к которой нужен быстрый доступ, такой как переменные.
Память программы начального запускавсегда выполняется на ПЗУ. Именно с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET. При наличии у микроконтроллера нескольких типов ПЗУ, зачастую существует выбор с какой из них стартовать программу. Для этого наружу выводится несколько ножек, комбинация сигналов на которых идентифицирует ту или иную ПЗУ.
Адресация в NAND.
Для примера работы с ПЗУ рассмотрим организацию памяти и обращение к ней на примере микросхемы памяти NAND.
Структура памяти NAND представлена на рис 8.2.
Память в микросхеме делится на блоки, которые в свою очередь делятся на страницы, состоящие из байт. Т.о. для полной адресации байта памяти требуется знать номер блока, номер страницы и сам адрес байта в этой странице.
Общая ёмкость памяти в этом случае равна произведению ёмкости страницы на количество страниц в блоке и на количество блоков в микросхеме памяти. Если у нас, как показано на рис 8.2, микросхема состоит из 2000 блоков, содержащих 128 страниц каждый. В странице содержится 8192 байта памяти. В итоге получаем: 8192*128*2000 = 2 Гбайта памяти. Обычно размер памяти указывают в битах. Т.е. размер рассматриваемой микросхемы составляет 16Гбит, что и будет указано у неё в документации.
Соответственно, для получения одного байта информации на выводе R/W, отвечающем за чтение запись, устанавливается сигнал, говорящий, что будет чтение. Отправляется команда запроса на чтение байта данных. Затем формируется пакет вида, как показано на рис 8.3.
В этом пакете А13-А0 – это адрес байта в странице, А20-А14 – это номер страницы, А32-А21 – это номер блока.
В ответ на этот запрос микросхема должна выдать запрошенный байт. При этом, если требуется считать несколько байт подряд, то достаточно просто продолжать считывать данные, не обновляя адрес. Микросхема автоматически увеличивает адрес на единицу при каждом чтении. Т.е. при использовании данной микросхемы выгодно читать данные сразу страницами (в нашем примере по 8192 байта).
Статьи к прочтению:
ПЗУ — Постоянное Запоминающее Устройство
Структура микропроцессора Устройство управления Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины. Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 4.5. Здесь представлены: Рис. 4.5.Укрупненная функциональная схема устройства управления Регистр команд – запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд. Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов. Постоянное запоминающее устройство микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов. Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) – устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП. Кодовые шины данных, адреса и инструкций – часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:
- выборки из регистра-счетчика адреса команды MПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
- выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
- расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
- считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
- считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
- выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
- записи результатов операции в память;
- формирования адреса следующей команды программы.
Рис. 4.6.Функциональная схема АЛУ
Сумматор –
вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры -
быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2) – разрядность слова.
При выполнении операций в Рг1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции – результат; в Рг2 – второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может и принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них, регистр 2 только получает информацию с этих шин.
Схемы управления
принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *, :) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.
Микропроцессорная память
Микропроцессорная память
- память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами – тысячными долями микросекунды).
Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров
с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП 8086 до нескольких десятков регистров разной длины у МП Pentium .
Регистры микропроцессора
делятся на регистры общего назначения и специальные.
Специальные регистры
применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др.
Регистры общего назначения
являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.
Интерфейсная часть микропроцессора
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.
Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода-вывода.
Порты ввода-вывода
– это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65536. Каждый порт имеет адрес – номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.
Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти – для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной и портами
выполняет следующие функции:
- формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
- прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
- организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.