Общие сведения о памяти и запоминающих устройствах

На следующей ступени иерархии ЗУ ЭВМ находятся сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) - устройства, имеющие быстродействие, соизмеримое с быстродействием процессора, и служащие для хранения информации (чисел и команд), которая наиболее часто встречается в процессе решения задач.

На третьей ступени иерархии находится большая быстрая память, называемая оперативной. Оперативные ЗУ (ОЗУ) имеют более значительную информационную ёмкость и работают с циклом, в несколько раз большим цикла процессора. Для увеличения скорости обмена информацией между процессором и ОЗУ последние иногда разделяют на несколько модулей (блоков или секций) и обращаются к различным блокам непосредственно или через СОЗУ.

На самом нижнем уровне иерархии находится относительно медленная, но вместительная внешняя память. Во внешнем ЗУ (ВЗУ) обычно хранится вся вводимая в машину информация. Чтобы избежать усложнения конструкции системы, к внешним ЗУ не предъявляются требования по быстродействию. ВЗУ являются наиболее экономичными для хранения больших массивов информации.

Данные, хранящиеся во внешнем ЗУ, непосредственно не используются в вычислительном процессе, что и отражается в их названии (внешние). Для использования этой информации необходимо переместить её из ВЗУ в оперативные ЗУ, образующие внутреннюю память системы. Для повышения эффективности обмена информацией между устройствами используют буферную память. Буферное ЗУ (БЗУ) занимает промежуточное положение между внутренним и внешним ЗУ. Оно предназначено для расширения внутренней памяти при условии сохранения быстродействия ЭВМ.

При иерархическом принципе построения ЗУ логическая организация потоков информации производится таким образом, чтобы все вместе взятые типы ЗУ выступали в виде единого ЗУ, имеющего большую информационную ёмкость (за счёт внешних ЗУ) и высокое быстродействие (за счёт внутренних ЗУ). Такое абстрактное ЗУ называют виртуальным. Так, например, при двухступенчатой организации ЗУ, содержащего ОЗУ и СОЗУ, среднее время обращения

t = (1 + aT/T1 )T1 ,

где T1 - время обращения к СОЗУ; T - время обращения к ОЗУ; a - коэффициент, учитывающий долю обращений к ОЗУ. Из этой зависимости следует, что при правильном выборе параметров ОЗУ и СОЗУ и соответствующем выборе информационных потоков общие характеристики виртуального ЗУ будут такими, как если бы оно имело цикл работы СОЗУ, а информационную ёмкость - ОЗУ.

Магнитные устройства памяти

Магнитная запись

Необходимость хранения больших массивов информации привела к использованию в ЗУ известного в технике принципа записи сигналов на магнитную поверхность.

Физической основой магнитной записи сигналов является свойство ферромагнитных материалов сохранять состояние остаточной намагниченности.

Основные принципы записи информации. Магнитная запись основана на взаимодействии магнитного носителя информации и магнитной головки при их относительном перемещении. При записи изменяющийся во времени электрический ток преобразуется в локальные изменения намагниченности носителя.

В качестве записывающей или считывающей головки используется специально сконструированный, чаще всего кольцевой, электромагнит с щелью, по обмотке которого пропускают импульсный ток. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод собирают из тонких пластин магнитомягких сплавов или делают из феррита. Считывание производится без разрушения хранящейся информации и может выполняться многократно.

Характерной особенностью магнитной записи является то, что она не нуждается в какой-либо промежуточной обработке и может быть воспроизведена немедленно. Запись легко может быть "стерта".

Такой процесс осуществляется отдельной стирающей головкой, через обмотку которой обычно пропускается ток высокой частоты. Высокочастотное поле многократно меняет ориентацию диполей, приводя к тому, что их ориентация вновь становится хаотической.

При магнитной форме записи информация в целях увеличения ёмкости запоминающих устройств стремятся как можно полнее использовать рабочую поверхность носителя. Степень её использования определяется плотностью записи информации, т.е. количеством двоичных знаков, размещающихся на единице площади носителя. Плотность записи зависит от характеристик магнитного носителя, конструкции головки, величины зазора между носителем и головкой, используемого способа записи и других факторов.

Теоретический предел плотности записи информации на магнитных носителях равен 1010 - 1011 бит/мм2 . Реализуемая плотность записи информации 400 - 1000 бит/мм2 , что более чем на семь порядков ниже теоретического. Использование новых методов записи - считывания информации, таких, например, как магнитооптические, позволит значительно улучшить характеристики ВЗУ на магнитных носителях информации.

Накопители на магнитных барабанах, дисках, лентах, картах

Хотя характеристики и конструкции ЗУ, в которых используется магнитная запись, могут быть очень разными, в основе процесса хранения для каждого из них лежит запоминание 0 или 1 на небольшом участке магнитного материала. В каждом случае запоминающая среда динамическая, так как носитель информации перемещается относительно считывающего или записывающего устройства.

ЗУ с магнитной записью информации широко используется в качестве внешней памяти ЭВМ, что объясняется их большой ёмкостью при относительно небольших размерах, возможностью многократного применения носителя информации при стирании старой записи, большим сроком хранения записанной информации без её искажения, относительно высокой скоростью записи и воспроизведения информации.

Накопители на магнитном барабане. Магнитные барабаны были одним из первых недорогих средств хранения больших массивов информации со сравнительно небольшим временем доступа.

Магнитный барабан представляет собой полый вращающийся цилиндр, поверхность которого покрыта слоем материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Вдоль поверхности барабана устанавливается ряд головок, производящих запись и считывание информации.

При вращении барабана небольшой участок его поверхности непрерывно проходит под одной из головок. Этот участок называется дорожкой. Каждая дорожка делится на ячейки, а каждая ячейка может запомнить один бит информации. Такого вида память называют памятью с циклическим доступом. Так как каждая ячейка при вращении барабана периодически проходит под головками.

Размеры и ёмкость памяти магнитных барабанов весьма разнообразны от небольших барабанов емкостью менее 200 000 бит до очень больших барабанов, которые могут хранить до 109 бит информации.

Накопители на магнитных дисках. Память на магнитном диске очень напоминает по действию память на магнитном барабане. Носителем здесь является диск, покрытый с обоих сторон тонким слоем ферролака и немагнитной связки.

При одинаковом физическом объеме информационная емкость на магнитных дисках более чем в 20 раз превышает емкость накопителей на магнитных барабанах. Внешняя память на магнитных дисках способна хранить более 1010 бит информации.

Накопители на магнитной ленте. Магнитная лента представляет собой гибкую пластмассовую пленку, на поверхность которой нанесен тонкий слой. Этот материал имеет петлю гистерезиса, близкую к прямоугольной, и отличается высокой однородностью параметров. Плотность записи до 64 бит/сек.

Накопители на магнитных картах. Магнитная карта представляет собой прямоугольный отрезок носителя с магнитным покрытием. Карты помещают в специальное хранилище - магазин. При обращении к ЗУ с целью записи или считывания информации специальное устройство осуществляет выбор или подачу из магазина заданной карты.

Память на магнитных сердечниках

В качестве элементов хранения информации, записанной в двоичном коде, широко используют кольцевые (тороидальные) сердечники из феррита с прямоугольной петлей гистерезиса.

Элемент памяти на ферритовом сердечнике. Возможность записи информации на ферритовом сердечнике основана на гистерезисе процесса перемагничивания. Запоминающий элемент представляет собой сердечник с двумя обмотками: записи и считывания. В зависимости от направления тока, протекающим через входную обмотку.

Интегральные магнитные элементы памяти

Изготовление сердечников малых размером и их прошивка проводами сопряжены с определенными трудностями. Уменьшение толщины стенок делает сердечник хрупким, а разброс параметров существенно возрастает. Прошивка проводами сердечников - трудоемкий процесс, плохо поддающийся автоматизации. Эта операция в значительной степени выполняется вручную и поэтому не может быть.

Преодоление трудностей изготовления блоков памяти достигается применением методов интегральной технологии. При этом наряду с уменьшением размеров элементов памяти могут быть увеличением емкости блока памяти и повышено быстродействие.

Практика реализации магнитных микроэлектронных устройств показывает, что обычно для каждого типа устройства имеется область применения, где оно дает наиболее оптимальные результаты. Поэтому, как правило, в практических разработках находят применение почти все типы магнитных микроэлектронных устройств. Это такие типы устройств как:

Многоотверстные ферритовые пластины;

Тонкие магнитные пленки;

Плоские тонкие магнитные пленки;

Цилиндрические тонкие магнитные пленки.

Устройства памяти на основе управляемого движения магнитных доменов

Попытки дальнейшего повышения плотности размещения информации в интегральной магнитной структуре привели к использованию для хранения информации отдельных магнитных доменов. В сплошной магнитной среде, намагниченной в одном направлении, для фиксации информации создаются отдельные домены, намагниченные в обратном направлении. По существу, речь идет уже не об отдельных магнитных элементах, а о физически однородной информационной среде, в которой переработка и хранение информации осуществляется в результате перемещения и взаимодействия доменов.

В настоящее время существует два типа магнитной запоминающей среды на подвижных доменах: тонкие магнитные пленки с плоскими магнитными доменами (ПМД) и магнитные (или аморфные) пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД).

Полупроводниковые устройства памяти

Элементы полупроводникоывх интегральных схем

В настоящее время разработаны различные виды машинной памяти. Одни конструктивно-технологически хорошо развиты, другие находятся на стадии снятия с производства. Появляются и новые типы машинной памяти, такие, как акустическая, магнитоэлектронная, электронно-оптическая, некоторые из них уже входят в стадию промышленной эксплуатации, например память на цилиндрических магнитных доменах.

Однако основным видом машинной памяти по совокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память на интегральных схемах (ИС).

Это объясняется рядом причин.

По универсальности применения и удобству подключения полупроводниковые ИС нельзя сравнить ни с какими другими ячейками памяти. Немаловажно и то, что полупроводниковая технология имеет в своем арсенале достаточно средств для перевода на интегральную основу любых известных схемотехнических решений и создания новых схем.

В конструктивном отношении полупроводниковые ИС представляют собой полупроводниковый кристалл, в объеме или на поверхности которого сосредоточены изолированные друг от друга элементы, соединенные согласно электрической схеме. Обычно каждому элементу схемы соответствует локальная область материала, свойства и характеристики которой обеспечивают выполнение определенных функций. Основу составляет транзисторная структура, которая является базовой для реализации всех входящих в схему активных и пассивных элементов.

Для построения полупроводниковых ЗУ используются ИС на биполярных транзисторах и на полевых транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзисторы).

В настоящее время четко обозначились два направления: в ИС на полевых транзисторах стремятся достичь максимальных степеней интеграции при умеренном быстродействии и малой потребляемой мощностью, тогда как на биполярных транзисторах строятся сверхскоростные ИС, которые можно было использовать как элементную базу сверхбыстродействующих ЭВМ.

Скорость переключения биполярного транзистора из одного состояния в другое , а значит и быстродействие ЗУ, определяется как параметрами самого прибора, так и схемой его включения. Практическая скорость срабатывания современных серийных элементов на биполярных транзисторах составляет 10-9 - 10-8 с. Минимальное время переключения определяется временем, в течение которого носители заряда проходят через базу транзистора бьлагодаря процессу диффузии.

В настоящее время наиболее распространенным материалом транзисторов является кремний. Подвижность электронов в кремнии ~ 0,1м2 /(В*с). Наиболее перспективный материал для изготовления биполярных транзисторов ближайшего будущего - арсенид галлия (GaAs) - обладает подвижностью электронов около 1 м2 /(В*с).

Полевые транзисторы имеют некоторое преимущество перед биполярными приборами. Они обладают высоким входным сопротивлением и могут работать при больших напряжениях на входе. Кроме того, управляемый ток в полевом транзисторе - это ток основных носителей заряда, который гораздо лучше реагирует на быстрые внешние сигналы.

Различные типы полевых транзисторов отличаются друг от друга принципом действия затвора. Существуют транзисторы, в которых роль затвора играют контакт металл-полупроводник, структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и т.д.

Характерной особенностью МДП-транзисторов является чрезвычайно высокое сопротивление между электродами. Это позволяет использовать электроды транзистора в качестве емкостных накопительных элементов, потенциал которых сохраняется на определенном уровне в течение продолжительного времени после отключения внешнего источника. Практическая скорость срабатывания МДП-ячейки составляет 5*10-9 с.

Элемент памяти - триггер. Транзисторы и логические схемы на их основе сами по себе элементами памяти быть не могут, так как после прекращения действия входного импульса сразу возвращаются в исходное состояние.

Для элемента памяти нужно устройство, которое под действием входного сигнала могло бы переключаться из состояния 0 в состояние 1 и обратно и при этом после прекращения действия входного импульса запомнило бы свое состояние и могло находиться в нем неопределенно долго (до прихода следующего переключающего входного сигнала). Такие электронные схемы, имеющие два равнозначных варианта устойчивых значений, называют бистабильными ячейками или триггерами.