Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 351400 «Прикладная информатика ( в сфере сервиса )»

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Запоминающие устройства 3) удельная стоимость хранения единицы информации. Ассоциативный метод доступа Удельная стоимость хранения единицы информации Энергонезависимые способы хранения информации на основе электронных микросхем Eprom, uv-eprom, eeprom NOR (логика ячеек NOT OR) и NAND

Подобный материал:

• Учебное пособие Ростов-на-Дону 2003 Печатается по решению кафедры экономической информатики, 494.94kb.
• Пособие предназначено для студентов специальности «Прикладная информатика (в экономике)», 1911.82kb.
• Практикум для студентов очной и заочной форм обучения по специальностям 080801., 2139.66kb.
• Учебное пособие для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения (дистанционное, 929.04kb.
• С. В. Чувиков Метрология и сертификация программного обеспечения Учебное пособие, 1298.56kb.
• Учебное пособие для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1247.83kb.
• Учебное пособие канд экон наук, доцент кафедры управления О. А. Соловьева Троицк 2008, 2909.51kb.
• Учебно-методический комплекс для студентов заочного обучения специальности Прикладная, 81.9kb.
• Учебное пособие 28365942 Москва 2008 ббк 66., 2986.28kb.
• Лекции по нейроанатомии учебное пособие Для студентов очной и заочной форм обучения, 1482.86kb.

3.1. Назначение, характеристики, типы запоминающих устройств и основные принципы их построения

Запоминающие устройства (ЗУ) обеспечивают фиксацию, хранение и выдачу информации в процессе работы ВМ. Обычно фиксацию информации называют записью, а выдачу информации – чтением (считыванием). Как запись, так и чтение являются процессами обращения к ЗУ.

Каждому типу ЗУ присущи некоторые наиболее важные характеристики, которые определяют его потенциальные возможности и эффективность применения в том или ином конкретном функциональном качестве. К таким характеристикам ЗУ прежде всего относятся:

1. емкость хранения информации;
   

2) быстродействие ЗУ при операциях записи-чтения;

3) удельная стоимость хранения единицы информации.

Емкость хранения информации в ЗУ определяется числом битов либо байтов, которое может хранить­ся в данном запоминающем устройстве. Чаще всего значение емкости ЗУ относительно велико, поэтому оно измеряется в производных единицах: Кбайт, Мбайт, Гбайт и т.д.

При оценке быстродействия ЗУ необходимо учитывать применяемый в данном типе ЗУ метод доступа к данным. Различают четыре основных метода доступа: последовательный, прямой, произвольный и ассоциативный.

ЗУ с последовательным методом доступа ориентировано на хранение информации в виде последовательности блоков данных, называе­мых записями. Для доступа к нужному элементу (слову или байту) необходи­мо прочитать все предшествующие ему данные. Время доступа зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе ин­формации и позиции элемента внутри данной записи. Примером может слу­жить ЗУ на магнитной ленте.

При прямом методе доступа каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее фи­зическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи с последующим последовательным досту­пом к определенной единице информации внутри записи. В результате время доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой ре­жим характерен для магнитных дисков.

При произвольном методе доступа каждая ячейка памяти имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может произ­водиться в произвольной очередности. Примером могут служить запоминаю­щие устройства основной памяти.

Ассоциативный метод доступа позволяет выполнять поиск ячеек, содержащих такую информацию, в которой значение отдельных битов совпа­дает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуще­ствляется параллельно для всех ячеек памяти, независимо от ее емкости. По ассоциативному принципу построены некоторые устройства кэш-памяти.

Для коли­чественной оценки быстродействия обычно используют три параметра. Первый из них – время доступа. Для памяти с произвольным доступом оно соответствует интервалу времени от момента поступления адреса до момента, когда данные заносятся в память или становятся доступными. В ЗУ с подвижным носителем информации – это время, затрачиваемое на установку головки записи/чтения (или носителя) в нужную позицию. Второй параметр – длительность цикла памяти или период обращения. Это понятие применяет­ся к памяти с произвольным доступом, для которой оно означает минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти. Период обра­щения включает в себя время доступа плюс некоторое дополнительное время. Дополнительное время может требоваться для затухания сигналов на линиях, а в некоторых типах ЗУ, где считывание информации приводит к ее разруше­нию, – для восстановления считанной информации. Третий параметр – это скорость передачи, с которой данные могут передаваться в па­мять или из нее.

Удельная стоимость хранения единицы информации принято оценивать отношением общей стоимости ЗУ к его ем­кости в битах или байтах, то есть стоимостью хранения одного бита или байта информации.

Наиболее распространены три технологических типа запоминающих устройств, отличающихся использованием разных физических принципов записи, хранения и считывания информации. Это ЗУ на электронных микросхемах, ЗУ на магнитных носителях информации (магнитные диски, ленты, карты) и ЗУ на оптических носителях информации (оптические диски разных модификаций).

Важнейшей характеристикой любого типа ЗУ является такое его физическое свойство, как энергозависимость либо энергонезависимость. В энергозависимой памяти информация может быть искажена или потеряна при отключении источника пи­тания. В энергонезависимых ЗУ записанная информация сохраняется и при от­ключении питающего напряжения. Магнитная и оптическая память – энергоне­зависимы. Память на электронных микросхемах может быть как энергозависимой, так и нет, в зависимости от ее типа. Помимо энергозависимости следует также учитывать, приводит ли считывание информации к ее разрушению или нет.

Основными типами энергозависимой памяти на электронных микросхемах являются статическая память (Static RAM – SRAM) и динамическая память (Dynamic RAM – DRAM). Исторически сложившееся использование аббревиатура RAM – Random Access Memory («память с произвольным доступом») для именования именно этих типов памяти не совсем корректно, поскольку па­мятью с произвольным доступом являются также и другие типы памяти, в частности, энергонезависимые типы ЗУ (см. далее).

Запоминающим элементом в статической памяти является электронная схема, обычно со­стоящая из четырех или шести транзисторов и называемая триггером. Такой триггер имеет два устойчивых состояния, соответствующих значению бита информации (0 или 1). Любое из состояний триггера сохраняется до тех пор, пока подается питание. Схема с четырьмя транзи­сторами обеспечивает большую емкость всей микросхемы памяти в целом, а следовательно, меньшую стоимость, однако у такой схемы относительно большой ток утечки в режиме хранения информации. Кроме того триггер на четырех транзисторах более чувствителен к воздей­ствию внешних источников излучения, которые могут стать причиной потери ин­формации. Наличие двух дополнительных транзисторов позволяет в определенной мере компенсировать указанные недостатки схемы на четырех транзисторах и, глав­ное, увеличить быстродействие памяти.

Запоминающий элемент динамической памяти состо­ит из одного миниатюрного конденсатора, управляемого одним или двумя транзисторами. Значение бита информации (0 или 1) в таком элементе определяется наличием или отсутствием заряда на конденсаторе. Простота схемы позволяет достичь высокой плотности размеще­ния запоминающих элементов на микросхеме памяти и, в итоге, снизить ее стоимость. Главный недостаток подобной технологии связан с тем, что накапливаемый на конденсаторе заряд со временем теряется. Поэтому требуется периодическое восстановление заряда, которое называется регенерацией. Время срабатывания триггера в современных микросхемах составляет единицы наносекунд. Быстродействие динамической памяти ниже из-за необходимости ожидания накопления (стекания) заряда на пластинах конденсатора. Однако плотность компоновки ячеек DRAM по сравнению с ячейками SRAM существенно выше, а стоимость производства ниже.

Энергонезависимые способы хранения информации на основе электронных микросхем прошли значительную эволюцию своего развития и совершенствования. Микросхемы энергонезависимой памяти относят к классу микросхем типа ROM (Read-Only Memory – «память только для чтения»). Однако, как будет следовать из дальнейшего изложения, название такой памяти – «память только для чтения» – также не является полностью корректным, потому что современные типы микросхем типа ROM допускают достаточно простые способы записи и изменения хранящейся информации. Микросхемы типа ROM по возможностям и способу программирования разделяют на программируемые при изготовлении, однократно программируемые после изготовления и многократно программируемые.

К микросхемам, программируемым при изготовлении, относятся микросхемы, часто именуемые MROM (MaskProgrammable ROM – «память только для чтения, программируемая с помощью маски»). Занесение информации в масочные микросхемы составляет часть производственного процесса и заключается в подключении или неподключении запоминающего эле­мента к разрядной линии считывания. В зависимости от этого из запоминающего эле­мента будет извлекаться 1 или 0. В роли перемычки выступает транзистор, расположенный на пересечении адресной и разрядной линий. Какие именно запоминающие эле­менты должны быть под­ключены к выходной линии, определяет маска, «закрывающая» определенные уча­стки кристалла. В настоящее время масочные микросхемы – это один из наиболее дешевых видов ROM. Для них характерна высокая плотность упа­ковки запоминающих эле­ментов на кристалле и высокие скорости считывания информации. Основной сферой применения масочных микросхем являются устройства, требующие хранения фиксированной информации. Например, они часто используют для хранения шрифтов в печатающих устройствах.

Среди микросхем, однократно программируемых после изготовления, исторически первыми и наиболее распространенными стали микросхемы памяти PROM (Programmable ROM – «программиру­емая память только для чтения») на базе плавких предохранителей. В исходной микросхеме во всех узлах адресные линии соединены с разрядными. Занесение информации в PROM производится электрически, путем пережигания отдельных перемычек, и может быть выполнено поставщиком или потребителем спустя ка­кое-то время после изготовления микросхемы. Позже появились микросхемы, в которых в перемычку входили два диода, соединенные навстречу. В процессе программирования удалить перемычку можно было с помощью электрического пробоя одного из этих диодов. В любом варианте для записи информации требуется специальное оборудование – програм­маторы.

Класс многократно программируемых микросхем состоит из нескольких групп устройств. Обычно выделяют группы микросхем EPROM, UV-EPROM, EEPROM и так называемую флэш-память.

Микросхема памяти EPROM (Erasable Programmable ROM – «многократно программируемая память только для чтения») была основана на транзисторах типа МОП (металл – оксид – полупроводник). Запись данных в ячейки такого транзистора производилась путем облучения рентгеновскими лучами, который давал возможность неоднократно перезаписывать данные памяти, хотя количество циклов было ограниченным.

В микросхемах UV-EPROM (Ultra-Violet Erasable Programmable ROM – «программируемая память только для чтения, стираемая ультрафиолетовыми лучами») запись информации производится электри­ческими сигналами, однако перед операцией записи содержи­мое всех ячеек должно быть приведено к одинаковому состоянию (стерто) путем воздействия на микросхему ультрафиолетовым облучением. Микросхема помещается в керамический корпус, имеющий кварцевое окно, через которое и про­изводится ультрафиолетовое облучение. Чтобы предотвратить случайное стирание информации, пос­ле облучения кварцевое окно заклеивают непрозрачной пленкой. Процесс стира­ния может выполняться многократно. Заряженный запоминающий элемент соответ­ствует двоичному нулю, а разряженный – единице. Цикл программирования занимает несколько сотен миллисекунд. По сравнению с PROM микросхемы EPROM дороже, но возможность много­кратного перепрограммирования часто является определяющей.

Более привлекательным вариантом многократно про­граммируемой памяти является электрически стираемая программируемая посто­янная память EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM – «электрически стираемая программируемая память только для чтения»). Стирание и запись информации в эту память производятся побайтово, причем стирание – не отдельный процесс, а лишь этап, происходящий автоматически при записи. Операция записи занимает существенно больше вре­мени, чем считывание – несколько сотен микросекунд на байт. В микросхеме ис­пользуется тот же принцип хранения информации, что и в EPROM. Программи­рование EEPROM не требует специального программатора и реализуется средствами самой микросхемы. Выпускаются два варианта микросхем: с последовательным и параллельным доступом, причем на долю первых приходится 90% всего выпуска микросхем этого типа. В EEPROM с доступом по последовательному каналу (SEEPROM – Serial EEPROM) адреса, данные и управляющие команды передаются по одному проводу и синхронизируются импульсами на тактовом входе. Преимуществом SEEPROM являются малые габариты и минимальное число линий ввода/вывода, а недостат­ком – большое время доступа. В целом EEPROM дороже, чем UV-EPROM, а микросхемы имеют менее плотную упаковку ячеек, то есть меньшую емкость.

Флэш-память – разновидность энергонезависимой перезаписывае­мой памяти на электронных микросхемах. Она впервые анон­сирована в середине 1980-х годов корпорацией Toshiba, а затем и корпорация Intel выпустила свой вариант флэш-памяти, после чего начался интенсивный процесс развития этого вида памяти.

В настоящее время выпускается два основных типа флэш-памяти: NOR (логика ячеек NOT OR) и NAND (ло­гика ячеек NOT AND). В качестве элементарных запоминающих ячеек во флэш-памяти используются транзисторы (один или два), которые подключены к разрядным шинам в памяти типа NOR параллельно, а в памяти типа NAND – последовательно. Идея хранения данных основана на том, что такой транзистор способен со­хранять заряд, соответственно позволяя определить его на­личие или отсутствие и таким образом кодировать двоичную информацию. При записи заряд помещается на управляющий затвор транзистора (посредством переноса электронов или с использовани­ем квантово-механических эффектов туннелирования – это зависит от типа памяти). Слово «флэш» (flash) в названии памяти скорее всего возникло из-за того, что операция записи требует подачи на сток и управляю­щий затвор транзистора высокого напряжения (отсюда flash, которое можно перевести как «молния», «вспышка»). Электроны с энергией, достаточной для преодоления потен­циального барьера, создаваемого пленкой диэлектрика, пе­реносятся на затвор, тем самым изменяя вольт-амперные характеристики транзистора. Аналогично, при сти­рании высокое напряжение подается на исток.

При организации логической схемы типа NOR требуется контакт на каждом транзисторе, а в схеме NAND используется контактная матрица. Благодаря этому схема NAND позволяет определить не только наличие или отсутствие заряда в ячейке, но и допускает измерение его величины, что дает возможность хранения двух битов информации в одном транзисторе (так называемые мно­гоуровневые ячейки). Teoретически возможно хранение даже трех и более битов (извест­ны образцы схем, хра­нящие до 8 бит), но на практике изготовление таких микро­схем сопряжено с рядом технологических сложностей. Кро­ме того, хотя такой подход дает возможность снизить удель­ную стоимость хранения данных, он требует усложнения контроллеров и памяти. Память типа NOR обеспечивает возможность произволь­ного чтения-записи данных (вплоть до отдельных байтов) и быстрое считывание, но при этом относительно медлен­ные схемы записи и стирания. Кроме того, такая память имеет довольно крупные ячейки (так как к каждой необходимо под­вести контакт), что вызывает закономерные сложности в из­готовлении и повышении емкости. Память типа NAND обеспечивает блочный доступ, быст­рые процедуры стирания и записи, дешевизну и простоту наращивания емкости модулей. Данные на флэш-памяти NAND считываются поблочно. Размер единичного блока варьируется от 256 байт до 256 Кбайт, практически все со­временные микросхемы позволяют работать с блоками раз­ного размера. Эта схема значи­тельно снижает скорость записи небольших объемов данных в произвольные области памяти, но в то же время и увели­чивает быстродействие при последовательной записи боль­ших массивов данных. Благодаря блочной организации флэш-памяти NAND она дешевле сопоставимой по емкости памяти других типов.

Процедуры записи-стирания вызывают интенсивный износ ячейки флэш-памяти, именно поэтому у та­ких микросхем ограничен ресурс циклов перезаписи (хотя он и относительно значительный – порядка миллионов циклов). Однако технологии производства флэш-памяти постоянно совершенствуются, внедряются оптимизирующие способы записи микросхемы, а также алгоритмы, направленные на равномерное использование всех ячеек в процессе работы. С учетом того, что во флэш-памяти достигается более высокая плотность размещения информации на кристалле, чем в памяти типа DRAM (на 30% и более), при достижении более высоких сроков службы флэш-память может заменить память DRAM во многих сферах применения последней.

Хотя флэш-память и лидирует на компьютерном рынке, ее могут вытеснить другие новые технологии, например, новейшая память на кремниевых нанокристаллах с повышенной степенью надежности.

В запоминающих устройствах на магнитных носителях информация записывается и считывается с поверхности специального носителя (диска, ленты, карты), покрытого магнитным слоем. Запись и чтение производятся так называемыми магнитными головками, представляющими собой электромагниты с сердечником и обмоткой, по которой пропускается электрический ток. До записи информации ориентация на носителе элементарных магнитных участков (диполей или доменов) хаотичная, усредненное значение магнитной индукции на всех участках носителя близко к нулю. Информация записывается на магнитный слой с помощью электромагнитных импульсов нужной полярности, генерируемых током в обмотке головки. Головка намагничивает находящийся непосредственно под ней участок магнитного слоя носителя, изменяя таким образом вектор его намагниченности. После записи ориентация диполей становится упорядоченной. Диполи с противоположными направлениями векторов намагниченности интерпретируются соответственно как 0 или 1. Эта же головка используется и для чтения информации. В этом случае изменение магнитного поля вблизи головки, вызываемое движением носителя информации, индуцирует напряжение в обмотке. Управляющие схемы фиксируют полярность этого напряжения, определяют состояние магнитного покрытия диска и декодируют ранее записанную информацию. В штатном режиме считывание происходит без разрушения информации и может выполняться многократно. Перемагничивание участков магнитного слоя может происходить лишь в том случае, если магнитное поле в них преодолеет некоторый порог (так называемую коэрцитивную силу), свойственный данному носителю. Этот режим обеспечивается при новой записи или при намеренном удалении («стирании») информации. Информация на магнитных носителях сохраняется энергонезависимо и долговременно.

Следует отметить, что при чтении данных фиксируются только изменения магнитного поля под головкой. Если двоичные значения 0 и 1 представлены двумя противоположными состояниями намагниченности, то напряжение в головке индуцируется только при переходе от 0 к 1 или от 1 к 0. Однако если на носителе хранится строка последовательных нулей или единиц, напряжение индуцируете только в начале и конце этой строки. Для определения количества последовательно расположенных нулей или единиц используется специальная синхронизирующая информация, позволяющая отсчитать количество позиций, которые имеют одинаковое направление намагниченности. На практике применяются различные по сложности и эффективности схемы кодирования, синхронизации и декодирования информации при чтении. Их рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия.

В запоминающих устройствах на оптических носителях информация записывается и считывается лазерным лучом с поверхности так называемого оптического диска. Информация в двоичном представлении трактуется как изменения геометрических или структурных характеристик рабочей поверхности диска, а именно наличия участков поверхности с углублениями – «питами» (от «pits» – «впадины») или оптически более темных и оптически более светлых участков поверхности. При записи информации такие участки специально формируются лазерным лучом высокой интенсивности. При чтении на поверхность диска направляется менее интенсивный лазерный луч, который по-разному отражается при сканировании непрерывных участков поверхности диска и границ между этими участками. Отраженный луч фокусируется в фотодетекторе, который и фиксирует записанные на диске двоичные данные. Информация на оптических носителях хранится энергонезависимо в течение относительно продолжительного этапа времени.