Запоминающие устройства

Запоминающее устройство в значительной степени определяет возможности и качество системы управления. Классические запоминающие устройства предназначены для записи, пассивного хранения, чтения цифровой информации (в следующем параграфе будет показано использование накопителей ЗУ и для преобразования цифровой информации). Основными параметрами ЗУ являются емкость V, разрядность п, число адресов N, время цикла t_ц (чтения и записи) при обращении к ЗУ за одним словом, стоимость хранения одного бита, надежность, помехоустойчивость воздействиям.

Рис. 6. Запоминающее устройство с произвольным доступом

Классификация ЗУ проводится по различным признакам. Прежде всего ЗУ делятся на внешние (магнитная лента, магнитные диски, перфолента и др.) и внутренние. Внутренние ЗУ делятся на оперативные (ОЗУ), постоянные (ПЗУ), полупостоянные (ППЗУ). Однородность ЗУ и массовость их выпуска обеспечивают стоимость хранения одного бита, гораздо меньшую, чем в других устройствах системы, и более высокую плотность размещения этих элементов.

В зависимости от используемого физического эффекта и типа элементов существует множество различных ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ. Наибольшее распространение получили магнитные и полупроводниковые ЗУ. Свойства тех и других определяются особенностями элементной базы.

По способу чтения и записи информации ЗУ бывают с произвольным и с последовательным доступом. Структура внутреннего ЗУ с произвольным доступом представлена на рис. 6. При произвольном доступе за время t_ц по коду адреса А из накопителя Н может быть считано (записано) любое из N n-разрядных слов. Код адреса А поступает из адресной магистрали AM и расшифровывается адресной системой АС, содержащей регистр адреса РА и дешифратор адреса ДА. Запись слова X из числовой магистрали ЧМ производится через регистр числа РЧ,формирователи записи ФЗ. Чтение слова Y из выбранной адресной системой ячейки Н осуществляется через разрядную систему PC, включающую п разрядов УВ, РЧ и ФЗ. ФЗ возбуждаются сигналами с выходов РЧ, если слово из РЧ должно быть записано (регенерировано) обратно в накопитель (для ЗУ с чтением информации без разрушения регенерация не нужна; к их числу относятся полупроводниковые ОЗУ и любые ПЗУ). Весь процесс записи и чтения слова из ЗУ происходит под воздействием вектора управляющих сигналов U из УУ.

На рис. 7 приведена структура ЗУ с последовательным доступом. Накопитель такого ЗУ организован по структуре сдвигового регистра (полупроводниковые ЗУ, ЗУ на магнитных доменах) или содержит носитель, перемещающийся относительно воспроизводящей системы (магнитная лента, диски, барабаны). Существуют накопители ЗУ с последовательным доступом (например, на линиях задержки), в которых информация перемещается в виде колебаний различной физической природы (электромагнитных, звуковых, световых). Достоинствами ЗУ с последовательным доступом являются малые затраты на адресную систему, низкая стоимость хранения одного бита. Недостаток – относительно низкое быстродействие. ЗУ с произвольным и последовательным доступом – характерный пример крайних вариантов модификации структуры устройства, когда его низкая стоимость достигается за счет потери производительности. Легко представить структуру смешанного варианта, занимающего промежуточное положение (например, ЗУ с группой модулей, в каждом из которых реализуется последовательный доступ, а выбор одного из модулей по коду его адреса осуществляется произвольно).

В структуре на рис. 7 слово Y по коду, адреса А выводится в ЧМ через PC втом случае, когда в счетчике накопится число, равное А.

Рис. 7. Запоминающее устройство с последовательным доступом

Равенство выявляется схемой сравнения СС. На счетный вход «+ 1» поступает сигнал специального признака СП (например, сигналы с синхродорожки). Запись слова X из ЧМ производится аналогично. Процесс обращения к ЗУ происходит под воздействием вектора управляющих сигналов из УУ.

Если ввод, вывод в ЗУ с последовательным доступом осуществляется массивами (группа слов), то более экономичным может оказаться использование в качестве СП разделительного кода (строка между массивами, код которой не должен встречаться в информационных строках). При использовании синхродорожки относительные затраты объема накопителя на адресацию составляют 1/n, a при использовании разделительной строки это 1/N_с, где N_c – средняя длина массива (число строк). Если организовать хранение информации в накопителе таким образом, чтобы отсутствовала комбинация «все нули» (например, с контролем нечетности числа единиц в строке), то возможна адресация без выделения специальной дорожки или строки. При этом в счетчике производится подсчет всех строк, а сигнал специального признака образуется как функция ИЛИ от всех n разрядов считываемой строки. Возможны различные комбинации рассмотренных способов адресации.

Рис. 8. Запоминающее устройство с поразрядной организацией

В настоящее время широко распространено представление информации в виде адресуемых фраз (кадров). Каждая из строк несет информацию о символе (букве). Группа последовательно расположенных символов одного функционального назначения образует слово. Группа слов, определяющая всю информацию на данной фазе управления системой, образует фразу (кадр). Число комбинаций в строке в общем случае достаточно для задания всех различных символов цифровой, буквенной, управляющей и контрольной информации. Каждому слову в этом случае предшествует строка (буква), являющаяся смысловым адресом этого слова (например, уставка регулируемого параметра х – буква, адрес). Отдельным словом может задаваться номер кадра. В числе иных символов присутствуют служебные типа «конец кадра», «начало программы» и др. При адресном формате слов адресная система в ЗУ с последовательным доступом должна содержать дешифратор символов. В зависимости от принятого и расшифрованного символа и происходит процесс чтения информации (рис. 9).

Рис. 9. К определению оптимальной разрядности ЗУ:

о, – зависимость аппаратурных затрат от разрядности без минимума;

б – зависимость разрядности от производительности;

в – зависимость аппаратурных затрат от разрядности с минимумом

Частным и все более широко применяемым типом структуры ЗУ с произвольным доступом является структура с поразрядной организацией. Основной особенностью такой организации является автономность одного разряда ЗУ с собственными (индивидуальными) адресной и разрядной системами. Такая направленность возникла ввиду бурного развития интегральных методов изготовления БИС ЗУ. Здесь первостепенное значение приобретает проблема уменьшения числа внешних контактов в БИС. Внесение в корпус БИС разряда памяти, оснащенного индивидуальной адресной и разрядной системами, является эффективным способом решения этой проблемы. Структура n-разрядного ЗУ при поразрядной организации представлена на рис. 8. Обращение к ЗУ осуществляется под воздействием общего и одинакового для всех разрядов ЗУ вектора управляющих сигналов U из УУ. Общий и одинаковый для всех разрядов ЗУ код адреса поступает параллельно на входы всех га встроенных в БИС дешифраторов ДА1 ¸ ДАп. Связь с выхода УВi на триггер числа T4i в ЗУ с чтением информации без разрушения отсутствует. Чтение и запись в ЗУ происходят через числовую магистраль ЧМ с помощью вентилей &_ч и &_з. Одним из наиболее важных вопросов, стоящих перед разработчиками системы управления, является оптимальный выбор разрядности (n) ЗУ. Задача выбора n_опт решается при заданной емкости (объеме V)ЗУ. Из выражения V=Nn следует, что при увеличении n будут (расти аппаратурные затраты С_р = с_рп на разрядную систему и сокращаться затраты С_а = c_aN на адресную систему (с_р и с_a – удельные затраты на один разряд, адрес). Затраты на сам накопитель при заданном объеме V = const могут быть приняты постоянными. Заметим, что при системном подходе к выбору n_опт в аппаратурные затраты С_р следует включить числовую магистраль и операционное устройство. Очевидно, что с увеличением n будет увеличиваться производительность всей системы. Так как производительность СУ считается заданной (Т₃),следует найти такое n_опт, чтобы суммарные затраты C_S = С_р + С_а были минимальными при условии, что Т £ Т_а (Т – время решения задачи управления).