Лекция 2. Память микроЭВМ. Средства реального времени

Память микроЭВМ.

Запоминающее устройство судовой управляющей микроЭВМ выполнено на основе микросхем (модулей) памяти. Каждая из микросхем характеризуется емкостью – числом ячеек памяти, способных хранить двоичный код определенной разрядности. Например, микросхема типа 27С512 (рис. 1) имеет информационную емкость 512 кбит, т.е. содержит около 512 тысяч элементов памяти, каждый из которых способен хранить сигнал "1" или "0". Элементы памяти объединены в группы по 8, образуя ячейки памяти, способные хранить 8-разрядный цифровой код (1 байт информации). Таким образом, данная микросхема содержит 512/8=64К восьмиразрядных ячеек памяти (и соответственно – 8 выходов), к каждой из которых можно обратиться, задав ее адрес в виде двоичного кода.

Физические принципы хранения информации различны для разных типов микросхем памяти.

Ячейки памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, англ. RAM –Random Access Memory), служащего для хранения данных, получаемых в

Рис. 1. Условное обозначение микросхемы 27С512

процессе работы ЭВМ строятся по двум принципам:

- на основе D-триггеров;

- на основе конденсаторов.

Ячейки памяти первого типа ничем не отличаются от параллельных регистров памяти. Микросхемы памяти такого типа являются наиболее быстродействующими, однако их емкость относительно невелика, а стоимость значительна. Их называют статическими ОЗУ (англ. SRAM - Static RAM).

В микросхемах второго типа в качестве запоминающих элементов используются конденсаторы. Если такой конденсатор зарядить, то определенное время на нем будет присутствовать напряжение, что можно рассматривать как хранение сигнала логической единицы. Если конденсатор разряжен, то можно считать, что он хранит сигнал логического нуля. Такие микросхемы обладают очень высокой емкостью, дешевы. Однако конденсаторы постепенно разряжаются и, чтобы информация не была потеряна, их нужно периодически подзаряжать. Эта операция называется регенерация памяти. Пока идет подзаряд, ячейка памяти не может быть использована, что снижает быстродействие такой памяти. Микросхемы памяти этого типа называют динамическими ОЗУ (англ. DRAM – Dynamic RAM).

Оба типа микросхем ОЗУ позволяют в процессе работы микроЭВМ как записывать в их ячейки памяти информацию, так и считывать. Информация хранится до тех пор, пока есть питание.

Ячейки памяти микросхем постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, англ. ROM – Read Only Memory), служащие для хранения программ, по способу занесения в них информации и ее обновления имеют ряд разновидностей. В судовых управляющих микроЭВМ применяются в основном два типа ПЗУ:

- однократно-программируемые;

- перепрограммируемые.

Ячейки памяти однократно-программируемого ПЗУ (англ. PROM) в простейшем случае представляют набор электрических перемычек, выполненных из легкоплавкого сплава и включенных по определенной схеме. В исходном состоянии все перемычки целы, т.е. в микросхему ничего не записано. Фирма-разработчик судовой микроЭВМ записывают управляющую программу в такую микросхему с помощью программатора (специальный блок, на основе ЭВМ), который пережигает ненужные перемычки, подавая на них повышенное напряжение. После программирования часть перемычек удалена, и это состояние можно рассматривать как запись логической единицы. Там, где перемычки сохранены, можно считать, что записан логический ноль. Однажды запрограммированная микросхема не может быть использована для повторного программирования, поскольку перемычки восстановить уже нельзя.

Перепрограммируемые ПЗУ (англ. EPROM, EEPROM) допускают многократную очистку и повторную запись программ. Ячейка памяти такого ПЗУ представляет собою зону из проводящего материала, окруженную диэлектриком. При программировании к конкретной ячейке памяти подводится повышенное напряжение, что придает электронам высокую энергию, они преодолевают слой диэлектрика и попадают в область проводника. После снятия повышенного напряжения электроны не в состоянии преодолеть диэлектрический слой и сохраняются в области проводника длительное время – десятки-сотни тысяч часов, независимо от наличия питания микросхемы. Объемный электрический заряд, который получил проводник, можно рассматривать как логическую единицу, записанную в данную ячейку.

Очистка микросхемы перепрограммируемого ПЗУ осуществляется либо электрическим воздействием (микросхемы типа EEPROM – Electrically Erasable and Programmable ROM) – подачей повышенного напряжения на ячейку памяти, но другим образом, по сравнению с ее программированием, либо облучением кристалла ПЗУ ультрафиолетом. В последнем случае микросхема имеет стеклянное окошко в корпусе и обозначается как EPROM - Erasable and Programmable ROM. Возможность перепрограммирования микросхем ПЗУ позволяют многократно использовать одну и ту же микросхему при модернизации программного обеспечения ЭВМ, что экономически выгодно.

Электрически стираемые ПЗУ (EEPROM) более удобны в применении. Кроме управляющей программы в таких ПЗУ могут храниться настроечные параметры систем автоматики – уставки на срабатывание сигнализации, коэффициенты, настроечные параметры регуляторов и т.д. Эти параметры в эксплуатации можно оперативно изменить путем выборочного стирания (электрическим путем) и записи новых значений в требуемые ячейки памяти. Этого нельзя сделать в микросхеме типа EPROM, поскольку при ее стирании теряется информация во всех ячейках памяти.

Следует отметить, что рассмотренные типы микросхем ПЗУ, хотя и являются гораздо более надежными носителями информации по сравнению с жестким диском персональной ЭВМ, вместе с тем не обладают 100% надежностью в плане длительного хранения информации. Продукты пережигания плавких перемычек со временем (годы) претерпевают такие химические изменения, которые в конечном итоге приводят к восстановлению перемычек, т.е. к изменению хранимой информации. В микросхемах ПЗУ второго типа из-за неидеальности и старения диэлектрика электроны постепенно (годы) уходят из области проводника, что также приводит к изменению хранимой информации. В практике эксплуатации судовой автоматики, построенной на базе микроЭВМ, имелись случаи отказов по причине нарушения содержимого ПЗУ.

С надежностью хранения в постоянном запоминающем устройстве программного обеспечения ЭВМ связана и одна из характерных особенностей ее эксплуатации.

Программа – это набор, последовательность команд, которые должен выполнить микропроцессор. Каждая команда записана в соответствующую ячейку памяти в виде двоичного, обычно 8-разрядного цифрового кода. Например, цифровой код 10010011 – это команда на выполнение операции сложения. Если в процессе эксплуатации этот цифровой код исказится и вместо "1" в последнем его разряде появится "0", то вместо операции арифметического сложения микропроцессор выполнит логическую операцию "И", код которой 10010010. А поскольку последующие действия в вычислительных алгоритмах весьма часто обусловлены результатом предшествующих, то вычислительный процесс пойдет по непредсказуемому пути, что характеризуется термином "зависание компьютера". Это может создать опасную ситуацию в управляемом от ЭВМ оборудовании.

Такое искажение кода команды может быть не только (и не столько) следствием "старения" микросхемы ПЗУ, но может носить и характер сбоя в результате воздействия физических полей. Так, запуск в судовых условиях мощного электродвигателя сопровождается двумя обстоятельствами. Во-первых – кратковременным, но весьма значительным снижением напряжения в судовой электросети. Несмотря на принимаемые меры (стабилизатор напряжения и др.), это может привести к кратковременному ухудшению качества питания микроЭВМ. Во-вторых – большим пусковым током электродвигателя, создающим в пространстве машинного отделения мощное электромагнитное поле, наводящее помехи в слаботочных цепях микроЭВМ. Все это может временно исказить код очередной команды, который в это время передается по шине ЭВМ из ПЗУ в микропроцессор. Последствия будут аналогичны – зависание компьютера. Но поскольку в ПЗУ код команды хранится верный, из этой ситуации можно выйти перезапуском (перезагрузкой) ЭВМ. То есть, заставив ЭВМ выполнять вычислительный алгоритм сначала. Для этого следует на некоторое время снять, а затем подать питание на ЭВМ.

Микросхемы ПЗУ в эксплуатации могут легко заменяться. Для этого они устанавливаются в специальные контактные панельки (сокеты) на плате микроЭВМ. Эта возможность обеспечивает исключительную универсальность микроЭВМ - простой заменой микросхемы ПЗУ, с другой программой, можно заставить ту же ЭВМ решать совершенно другую задачу. Замена или модернизация программного обеспечения управляющей микроЭВМ существенно упростилась с разработкой микросхем флэш (англ. flash) памяти – разновидности EEPROM. В новом поколении управляющих ЭВМ эта память используется для хранения программ. Программы загружаются в нее по линии связи из центральной (диспетчерской) ЭВМ, как только управляющая ЭВМ впервые физически задействована в работу, или при необходимости модернизации программного обеспечения.

Современные судовые системы комплексной автоматизации построены по существу на одинаковых по электрической схеме микроЭВМ, а их специализация определяется содержимым ПЗУ.