Подсистема памяти микропроцессорной системы: процессор – материнская плата – память, flash-память

Подсистема памяти микропроцессорной системы: процессор – материнская плата – память, flash-память

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт: Физико-Технический

Кафедра: Электроника и автоматика физических установок

Доклад по теме

«Подсистема памяти микропроцессорной системы: процессор - материнская плата - память, flash-память»

Томск - 2014

Введение

Запоминающие устройства используют ля хранения информации в микропроцессорных системах. Данные устройства сделаны на основе полупроводников. Также существуют магнитные и оптические носители для хранения информации. Совокупность интегральных микросхем памяти образуют внутреннюю компьютерную память и не только. Из данных интегральных микросхем состоят различные виды памяти как внешние, так и внутренние. [1]

Компьютерная память представляет собой определенную часть ЭВМ и представляет собой физическое устройство, среду или место для хранения данных, которые могут использоваться для различных вычислительных операций, в течение долгого промежутка времени.

Основными характеристиками запоминающих устройств (ЗУ) являются:

информационная емкость - максимальный объем хранимой информации;

быстродействие - время обращения к ЗУ с различным видом доступа;

энергопотребление - электрическая мощность, которую потребляет ЗУ.

Также память микропроцессорных систем разделяют на внутреннюю и внешнюю:

внутренняя память - электронная память, которая установлена на системной плате;

внешняя память - память, которая реализована в виде устройств.

Непосредственно доступной памятью для процессора является внутренняя (оперативная) память, которая используется для обмена информацией между процессором внешней памятью и периферийными подсистемами. Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи/чтения любой ячейкой ОЗУ в произвольном порядке.

Основными параметрами оперативной памяти являются: [2]

время доступа - задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения;

длительность цикла - минимальный период следующих друг за другом обращений к памяти;

производительность памяти - скорость потока записываемых или считываемых данных;

разрядность шины памяти - это количество бит или байт, с которыми операция чтения или записи может быть выполнена одновременно;

банк памяти - комплекс модулей, обеспечивающих требуемую для данной системы разрядность хранимых данных.

1. Основные принципы организации памяти

Если судить с точки зрения системы команд, то память - это набор слов, каждое из которых представляет собой уникальный адрес, который показывает расположение слов в памяти. Каждый адрес данной ячейки определяет модуль памяти, а также расположение самой ячейки в модуле. [2]

Каждое слово памяти содержит один или более адресуемых байт, который процессор может обработать за одно обращение. Таким образом в зависимости от разрядности процессора возможность обрабатывать большую информацию возрастает с увеличением разрядов. Например, 16-разрядные микропроцессоры за одно обращение могут обратиться к одному или двум байтам одновременно. Также количество адресуемых ячеек памяти зависит от количества бит шины адреса процессора.

Вычислительные системы чаще всего используют целую иерар­хическую структуру систем памяти как это показано на рисунке 1.

Рис. 1

В различных вычислительных системах память можно разделить на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память используется для тесной связи с микропроцессором. Прямо или произвольно адресуемая память представляет собой последовательность нумерованных ячеек, доступ к которым осуществляется с помощью адресных сигналов, определяющих номер ячейки, и специальных стробирующих сигналов, определяющих момент чтения или записи. Внешняя память используется для хранения больших объемов информации.

2. Связь между устройствами на материнской плате

Чипсет материнской платы состоит из двух мостов, северного и южного (рисунок 2), которые, в свою очередь, осуществляют взаимодействия с различными разделами, расположенными на материнской плате. [1]

Рис. 2 - Принципиальная упрощенная схема материнской платы компьютера

Таким образом, северного моста предназначен для осуществления взаимодействия между процессором, оперативной памятью, видеокартой, а южным мостом - с остальными устройствами. Ещё северный мост могут называть системным контроллером. В состав данного моста входят такие важные компоненты:

контроллер оперативной памяти;

контроллеры шин для управления потоками информации между процессором и остальными устройствами;

встроенный графический контроллер.

Процессор, оперативная память, видеокарта являются в компьютере самыми быстрыми устройствами, поэтому они подключены к северному мосту для быстрого обмена данными. Южный мост, который зачастую называют мостом ввода-вывода, объединяет более медленные устройства, например:

винчестер;

приводы компакт-дисков;

различные устройства PCI-шин;

часы реального времени;

различные периферийные устройства.

Также, северный и южный мосты соединяются индивидуальной шиной обмена, по которой передаются данные, сигналы управления и контроля в обоих направлениях.

Материнскую плату можно представить как некий город, в котором есть своя инфраструктура. Северный и южный мосты в данном городе представляются некоторые железнодорожные станции, объединённые между собой широкой высокоскоростной магистралью - шиной, по которой в обоих направлениях движутся составы - информационные потоки. На самих станциях-мостах происходит дальнейшее распределение и доставка информации конечному электронному компоненту. Таким же образом происходит связь процессора с различными видами памяти: с постоянной и оперативной. [3]

Для примера, необходимо процессору передать данные в большом количестве и с высокой скоростью в оперативную память. Данной проблемой займётся контроллер прямого доступа в память. Он организует возможность занять беспрепятственно шину и передавать данные непосредственно в память, минуя процессор. Оперативная память также в это время будет занята только приёмом данных от винчестера. Этим повысится быстродействие системы.

На данный момент чипсет системной платы - это объединение двух, а иногда и одна, СБИС (Сверхбольшая интегральная схема).

3. Современные типы памяти DDR, DDR2, DDR3

DDR SDRAM представляет собой синхронную динамическую память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных. Модули DDR SDRAM выполнены в форм-факторе DIMM, у которого контакты, расположенные на разных сторонах модуля, являются независимыми и передают разные сигналы. На каждом отдельном модуле несколько одинаковых чипов и конфигурационный чип SPD. На модулях регистровой памяти располагаются регистровые чипы, буферизующие и усиливающие сигнал на шине.

Далее рассмотрим 3 вида современной оперативной памяти:

DDR - является одной из первых видов данной оперативной памяти, для которой рабочее напряжение составляет 2.5 В. DDR является наибольшим потребителем электроэнергии из всех рассматриваемых видов памяти.

DDR2 - данный вид памяти работает быстрее, чем DDR. Данная память имеет рабочее напряжение 1.8 В.

DDR3 - быстрый и новый тип памяти. DDR3 обладает скоростью большей, чем у DDR2 и потребляет электроэнергию меньше других видов оперативной памяти - 1.5 В. Основные характеристики данных видов оперативной памяти представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики оперативной памяти

Одной из самых важных характеристик оперативной памяти является ее пропускная способность, то есть произведение частоты системной шины на объем данных, передаваемых за один такт. От данной пропускной способности зависит производительность памяти. Таким образом, можно рассчитать пропускную способность оперативной памяти, частота которой составляет 400 МГц, а объем данных 8 байт. Путем нехитрых вычислений получим, что 400 МГц х 8 Байт = 3200 Мбайт в секунду (или 3.2 Гбайт/с).

Также на производительность оперативной памяти также влияют и такие параметры как «тайминги памяти». Так как логическая структура банка памяти представляет собой двухмерный массив, то есть каждая ячейка памяти имеет свой адрес - номер строки и номер столбца. Для считывания контроллер памяти задает номер строки и столбца для обращения к ячейке по данному адресу. Между подачей команды и ее выполнением всегда будет присутствовать какая-нибудь задержка, которая и будет характеризовать «тайминги». Наиболее известными параметрами оперативной памяти, которые определяют «тайминги», являются следующие:

CAS - задержка между подачей сигнала и вызовом данных из соответствующей ячейки;

RAS to CAS - количество тактов шины памяти, которые должны пройти после подачи сигнала RAS до того, как можно будет подать сигнал CAS;

ROW Precharge - время закрытия страницы памяти в пределах одного банка, которое тратится на перезарядку самого этого банка;

Activate to Precharge - минимальное количество циклов между командой активации RAS и командой подзарядки Precharge, после которой заканчивается работа с данной строкой, или закрытия одного и того же банка.

4. Flash-память

Флэш-память (flash memory) - относится к полупроводникам электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Благодаря техническим решениям, не высокой стоимости, большому объему, низкому энергопотреблению, высокой скорости работы, компактности и механической прочности, флэш-память встраивают в цифровые портативные устройства и носители информации. Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимое и ему не нужно электричество для хранения данных. Всю хранящуюся информацию во флэш-памяти можно считать бесконечное количество раз, а вот количество полных циклов записи к сожалению ограничено. [5]

Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Элементарной ячейка хранения данных флэш-памяти представляет из себя транзистор с плавающим затвором. Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Таким образом на его основе и разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR. Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC (рисунок 3).

Рис. 3 - Отображение бита информации через величину заряда на плавающем затворе в ячейках MLC и SLC

Флэш-память с MLC ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).

Флэш-память, которая содержит в себе SLC ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания (100000) и обладают меньшим временем доступа.

Благодаря подачи между затвором и истоком большого потенциала происходит изменение заряда (запись/стирание) (рисунок 4). Таким образом, напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом становится достаточной для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.[4]

Рис. 4 - Организация записи/стирания информации на полевом транзисторе с плавающим затвором

память материнский плата транзистор

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения. Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

Заключение

На данный момент существует различные виды запоминающих устройств, которые применяются в огромном количестве электронных устройств. Объемы памяти уже давно зашли за сотни гигабайт, а в некоторых - даже терабайт. С каждым годом объем памяти на запоминающих устройствах увеличивается в огромных масштабах, однако сами устройства при этом уменьшаются. Также обеспечиваются огромные скорости передачи данных, что способствует сокращению необходимого времени.

Как мы знаем данные устройства основываются на кремневых транзисторах, и с каждым годом величины данных транзистором уменьшаются до микроскопических размеров, что способствует расположению большого их числа на кристалле. Однако, если смотреть в будущее, основой компьютеров будущего станут не кремниевые транзисторы, где передача информации осуществляется электронами, а оптические системы. Носителем информации станут фотоны, так как они легче и быстрее электронов. В результате компьютер станет более дешевым и значительно компактным. Но самое главное, что оптоэлектронное счисление гораздо быстрее, чем то, что применяется сегодня, поэтому компьютер будет намного производительнее. Компьютер будущего будет практически независим от источников электропитания. Одно из самых больших преимуществ фотонных цепей - крайне малое энергопотребление.

Список литературы

1.   База статей по различным отраслям наук. URL: http://gigabaza.ru. Дата обращения: 20.11.2014.

2.      Непомнящий О.В., Вейсов Е.А., Скотников Г.А., Савицкая М.В. Микропроцессорные системы. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

.        Костров Б. В., Ручкин В. Н.. Архитектура микропроцессорных систем. / Пер. с англ. - М.: Диалог-МИФИ, 2007. - 304 с.

.        Настройка, оптимизация и безопасность операционных систем Microsoft Windows. URL: http:// windxp.com.ru. Дата обращения: 20.11.2014

.        Шишков А. Н.. Микропроцессоры // МАИ, каф. 404. - 2007 - с. 25 - 34.

.        Википедия - свободная энциклопедия. URL: http:// ru.wikipedia.org/wiki/. Дата обращения: 20.11.2014