Запоминающие устройства ЭВМ. ПЗУ и ОЗУ.

    Устройства хранения данных (память) являются составной частью практически любого современного технического средства информатизации. В памяти хранятся как программы работы технического средства, так и данные, используемые в процессе его работы. 

Постоянное запоминающее устройство.

    Постоянное запоминающее устройство — элемент электронной вычислительной техники. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. То есть записанная в ней информация не изменяется после выключения компьютера.

    Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в шарманках, музыкальных шкатулках, часах с боем.

    С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых ламп. В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой ёмкости широко использовались штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых поколений — несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать их с похожими типами ОЗУ). Именно от этих типов ПЗУ и берёт своё начало термин «прошивка» — логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ информацией напоминала процесс шитья.

По разновидностям микросхем выделяют ПЗУ:

- по технологии изготовления кристалла:

        -ROM — (англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство) — масочное ПЗУ, изготовляемое фабричным методом;

        -PROM — (англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем;

        -EPROM (англ. erasable programmable read-only memory) — перепрограммируемое ПЗУ, например, содержимое микросхемы К573РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом;

        -EEPROM (англ. electrically erasable programmable read-only memory — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, память которого может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз, используется в твердотельных накопителях, одной из разновидностей EEPROM является флеш-память;

        -ПЗУ на магнитных доменах, например, К1602РЦ5, которое имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей, обеспечивает неограниченное количество циклов перезаписи;

        -NVRAM (англ. non-volatile memory, «неразрушающаяся» память) — ПЗУ, выполняющее роль ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой; в СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы Dallas Semiconductor, выпустившей их на рынок; в NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена;

- по виду доступа:

        -ПЗУ с параллельным доступом — ПЗУ, которое в системе может быть доступно в адресном пространстве ОЗУ, например, К573РФ5;

        -ПЗУ с последовательным доступом — ПЗУ, часто используемые для однократной загрузки констант или «прошивки» в процессор или ПЛИС, используемые для хранения, например, настроек каналов телевизора и других данных, например, 93С46, AT17LV512A;

по способу программирования микросхем (то есть, по способу записи «прошивки» в микросхему):

        -непрограммируемые ПЗУ;

        -ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые), использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до ±27 В) на специальные выводы;

        -внутрисхемно перепрограммируемые ПЗУ (англ. in-system programming, ISP) — микросхемы, имеющие внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, могут быть перепрошиты программным способом, то есть, без программатора и без выпайки из печатной платы.

    В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами или компьютером (BIOS или OpenBoot на машинах SPARC).

    BootROM — такая прошивка, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в сетевой карте, то становится возможной загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS.

    ПЗУ в IBM-PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF и служит для хранения программ начальной загрузки (BIOS или UEFI) компьютера и тестирования его узлов. Используется только для чтения. Extensible Firmware Interface (EFI) (с англ. — «интерфейс расширяемой прошивки») — интерфейс между операционной системой и микропрограммами, управляющими низкоуровневыми функциями оборудования. Его основное предназначение: корректно инициализировать оборудование при включении системы и передать управление загрузчику операционной системы. EFI предназначен для замены BIOS — интерфейса, который традиционно используется всеми IBM PC-совместимыми персональными компьютерами. Первая спецификация EFI была разработана Intel, позднее от первого названия отказались и последняя версия стандарта носит название Unified Extensible Firmware Interface (UEFI). В настоящее время разработкой UEFI занимается Unified EFI Forum. Пришла на смену устаревшему BIOS в 2010 году.

Оперативное запоминающее устройство.

    Сокращенно оперативную память компьютера называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory — память с произвольным доступом).

Назначение ОЗУ.

    Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти. ОЗУ может изготавливаться как отдельный внешний модуль или располагаться на одном кристалле с процессором, например, в однокристальных ЭВМ или однокристальных микроконтроллерах.

    Основное назначение ОЗУ:

- Хранение данных и команд для дальнейшей их передачи процессору для обработки. Информация может поступать из оперативной памяти не сразу на обработку процессору, а в более быструю, чем ОЗУ, кэш-память процессора.

- Хранение результатов вычислений, произведенных процессором.

- Считывание (или запись) содержимого ячеек.

Особенности работы ОЗУ.

    Оперативная память может сохранять данные лишь при включенном компьютере. Поэтому при его выключении обрабатываемые данные следует сохранять на жестком диске или другом носителе информации. При запуске программ информация поступает в ОЗУ, например, с жесткого диска компьютера. Пока идет работа с программой она присутствует в оперативной памяти (обычно). Как только работа с ней закончена, данные перезаписываются на жесткий диск. Другими словами, потоки информации в оперативной памяти очень динамичны.

    ОЗУ представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом. Это означает, что прочитать/записать данные можно из любой ячейки ОЗУ в любой момент времени. Для сравнения, например, магнитная лента является запоминающим устройством с последовательным доступом.

Логическое устройство оперативной памяти.

    Оперативная память состоит их ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес. Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные адреса. Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах.

    Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако многие команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область памяти, состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).

Типы оперативной памяти.

    Принято выделять два вида оперативной памяти: статическую (SRAM) и динамическую (DRAM). SRAM используется в качестве кэш-памяти процессора, а DRAM - непосредственно в роли оперативной памяти компьютера.

    ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые интегральные схемы ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже.

    Память динамического типа.

    Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариантах два конденсатора). Такой вид памяти, во-первых, дешевле (один конденсатор и один транзистор на 1 бит дешевле нескольких транзисторов входящих в триггер), и, во-вторых, занимает меньшую площадь на кристалле, там, где в SRAM размещается один триггер, хранящий 1 бит, можно разместить несколько конденсаторов и транзисторов для хранения нескольких бит.

    Но DRAM имеет и недостатки. Во-первых, работает медленнее, поскольку, если в SRAM изменение управляющего напряжения на входе триггера сразу очень быстро изменяет его состояние, то для того, чтобы изменить состояние конденсатора, его нужно зарядить или разрядить. Перезаряд конденсатора гораздо более длителен (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если ёмкость конденсатора очень мала. Второй существенный недостаток — конденсаторы со временем разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их электрическая ёмкость и больше ток утечки, в основном, это утечка через ключ.

    Именно из-за того, что заряд конденсатора постепенно уменьшается во времени, память на конденсаторах получила своё название DRAM — динамическая память. Поэтому, дабы не потерять содержимое памяти, величина заряда конденсаторов периодически восстанавливается («регенерируется») через определённое время, называемое циклом регенерации, для современных микросхем памяти это время не должно превышать 2 мс. Для регенерации в современных микросхемах достаточно выполнить циклограмму чтения по всем строкам запоминающей матрицы. Процедуру регенерации выполняет процессор или контроллер памяти. Так как для регенерации памяти периодически приостанавливается обращение к памяти, это снижает среднюю скорость обмена с этим видом ОЗУ.

    Память статического типа.

    ОЗУ, которое не надо регенерировать обычно схемотехнически выполненное в виде массива триггеров, называют статической памятью (SRAM) с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры являются соединением нескольких логических вентилей, а время задержки на вентиль очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, чем ячейка динамической памяти, даже если они изготавливаются групповым методом миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов входящих в статический триггер занимает гораздо больше площади на кристалле, чем ячейка динамической памяти, поскольку триггер состоит минимум из 2 вентилей, в каждый вентиль входит по меньшей мере один транзистор, а ячейка динамической памяти — только из одного транзистора и одного конденсатора. 

    Память статического типа используется для организации сверхбыстродействующего ОЗУ, обмен информацией с которым критичен для производительности системы.

Вид модуля оперативной памяти.

    Внешне оперативная память персонального компьютера представляет собой модуль из микросхем (как правило 8 или 16 штук) на печатной плате. Модуль вставляется в специальный разъем на материнской плате (рис. 2).

Рис. 2. Схема (упрощенная) модуля памяти.

    Модули оперативной памяти производятся для различных устройств. В зависмости от этого, они бывают разного размера и конфигурции. Например, на рисунке 3 приведены модули пмяти для стационарного компьютера и ноутбука.

Рис. 3. Различные виды памяти.

    Основными характеристиками ОЗУ являются информационная емкость и быстродействие. Емкость оперативной памяти на сегодняшний день выражается в гигабайтах, а скорость в ГГц. 

    Например, современная память DDR4 отличается от предыдущего стандарта DDR3 удвоением до 16 внутренних банков (в 2 группах банков), что позволило увеличить скорость передачи внешней шины. Пропускная способность памяти DDR4 в перспективе может достигать 25,6 ГБ/c (в случае повышения максимальной эффективной частоты до 3200 МГц). Кроме того, повышена надёжность работы за счёт введения механизма контроля чётности на шинах адреса и команд. Изначально стандарт DDR4 определял частоты от 1600 до 2400 МГц с перспективой роста до 3200 МГц. В августе 2015 года были продемонстрированы модули памяти с частотой 4233 МГц (и максимальной пропускной способностью 33 864 МБ/c), что превзошло частоту, изначально определённую стандартом. 

    Объём кристалла DDR4 составляет от 2 до 16 Гбит, организация модулей памяти — ×4, ×8 или ×16 банков. Минимальный объём одного модуля DDR4 составляет 4 ГБ, максимальный — 128 ГБ.