15
ПО СТОЛБОВЫМ
ДОРОГАМ МК
(Путешествие по микрокомпьютеру)
Кандидат технических наук Д. Г. КРУТОГИН
От рассмотрения панарамы и изучения плана города МК (см. «Квант» № 2, 3) перейдем к экскурсии по нему. Сегодня наша цель — побивать в «жилых» районах города — ОЗУ и ПЗУ. Мы попадем туда по главной улице города, которая обчино называется «обшей шиной» и связывает все районы города. В принятых масштабах*), двигаясь по шине, мы увидим под ногами десяти примогольных металлических полосок с размерами 1×2 м (рисунок 1). На вид они неразличны, но по плану мы знаем, что эти положки образуют три системы дорог, или три отделных шины. Наиболее широкая шина — адресная. Она предназначается для распределения машинных слов по ячейкам памяты при записи и вызова их оттуда при считывании. Ячейки памяты организованы в матрицу (рисунок 2); выбор нужной ячейки производится при по-
*) Напоминаем, что для путешествия мы довоем纵ись уменшиться в миллион раз.
15
16
мощи адресных сигналов. Матричная организация запоминающих устройств наиболее рациональная с точки зрения простоты управления и числа необходимых проводов.
Две другие шины — шина данных и шина управления — обычно содержат меньше колчеств проводников. По шине данных, в отличие от других, организационно двустороннее движение (к процессу или от него).
Скорость движения на городских улицах всегда высокая. Но улиц мало, а желающий прояты по ним довольно много, так что шина данных оказывается надолго занятой. Чтобы избежать встречных потоков и аварий, около выходов на главную улицу во всех районах располагаются своеобразные «посты ГАИ» — буфера, которые согласовано задают режим
Рис. 1. Фрагмент шины. Фотографика с увеличением примерного 2000.
Рис. 2. Схема организации матричного ОЗУ 4×4 бит. Квадратами обозначены ячейки ОЗУ, треугольники — входные буфера, установленные режим записи или считывация; X и Y — провода адресной шины, PШ₀, PШ₁ — разрядные провода шины данных.
Уличного движения. Буфера же преятствуют движению слов рыблю неорганизованной толпой, они формируют их в плотные колонны и пересылают в пункт назначения. Наболее активный обмен проискодит между районами Процесор — ОЗУ.
Допустим, что из Процесора в ОЗУ направлен запрос на некое слово, содержащое в определенной ячейке памяти. Это значит, что в провода адресной шины посланы импульсы, соответствующие координатам этой ячейки, в то же время по шине управления послана команда считывания. На входе в район ОЗУ эта команда обозначена записьяя в ячейки памяти буферного регистра*). После этого начинается распирофовка и исполнение команды. Ответные сигналы ячейки (по одной на каждой разряд запрашиваемого слова) поступают, как правило, не сразу в шину данных, а опять-tаки в буферный регистр этой шины. Когда он заполняется, т. е. слово-ответ формировано, переключатель буфера направляется все содержимое этого регистра к Процесору. Одновременно в буферном регистре шины управления стирается ненужная более команда-запрос. Прибыващее к месту назначения (допустим, в процесор) слово — ответ ОЗУ — вовь размешается в «приемной», собственном буферном регистре процесса.
Мы говорили уже, что эффективная работа Процесора обеспечивает быстро и достаточно большой памяти. Чтобы скорее отыскивать требуемые сведения, проектировчики разбили район ОЗУ на кварталы — страницы. Однако страница — это матрица ячейки размером 16×16, т. е. 256 ячейки, способных хранить двучную информацию. Если и страница у нас 256, то полный объем ОЗУ — 256².
На входе в каждой квартал-страницу размещаются трансисторы логических элементы. Как бы пинмаете, для этого требуется, чтобы в адрес присутствовал код страницы и код ячейки. Поэтому адрес сам по себе является машинным словом.
Город для гостей
Ячейка, хранящая бит информации в ОЗУ, является триггером и содержит как правило, четыре трансистора. Ранее мы считали один трансistor домом, теперь уместнее будет считать его один из корпусов
*) Здесь и далее термин «регистр» мы будем обозначать небольшое оперативное ЗУ, объемом в одной — два машинных слов.
17
Рис. 3. Ячейка статического ОЗУ емкостью 1 бит: а) — неуправляемая ячейка с двумя равностойными состоянием, б) — тризер с двумя входами на основе такой ячейки.
Рис. 4. Прицицит действая динамическая память.
дома-ячейки*). Схема триггера описана русским радионженером М. А. БончБруевичем почти 70 лет назад. Простейший триггер из двух трансисторов показан на рисунке 3, а. Из двух трансисторов один всегда закрыт, другой открыт. Подав извне короткий сигнал на закрытый трансистор, положение можно изменить на симметриное и противоположное. Такая конструкция называется бистаблной ячейкой. Для гибкого управления нужно добавить к ней еще два трансистора-вЫКЛЮЧАТЕЛЯ. Та схема, которую вы видите на рисунке 3, б, практические и есть триггерная ячейка памяты на 1 бит. Это типовой элемент застройки ОЗУ-района. Такая память на триггере называется статической. Работает она быстро и надежно, но… Сооружать для каждой бита «домик» из четырех трансисторов становится очень обременительно, когда счет идет на сотни тысяч бит (ОЗУ современного микрокомпьютера должно иметь емкость минимум 64 кбайт). Главное, не хватает площадей для ОЗУ.
Позому для больших ОЗУ используется другая система памяты, принципи которой появляется на рисунке 4. Если через ключ S зарядить конденсатор C, то после размыкания ключа конденсатор будет поддерживать режим трансистора T, заданный начальным зарядным сигналом. Таким образом, режим трансистора (открытый или закрытый) как бы хранит один бит информации; но до каких пор? Пока не разрядится конденсатор C*). Выключателем S служит, как всегда в микрослектронке, трансистор, а его сопротивление велико, но не бесконечно.
Чтобы конденсатор не разрядился и хранимый бит не пропал, емкость C надо переодически (около 500 раз в секунду!) подзаряжать, как бы «освежая» память. Такаязыбкая, утекшаяся память называется диамической. С учетом систем поддержания общая схема ОЗУ оказывается намного сложнее, чем на рисунке 4, но все-tаки проще и экономнее, чем на триггерах. В диамических ОЗУ удается сократить расход «жиллошади» до 2,5 трансистора на один бит. На сегодня диамические схемы достигают емкости 1 мгабит на кристалле кремния размером 7×9 мм. Это рекорд плотности застройки.
Покидая район ОЗУ, может констатировать, что архитектура его, хотя и рациональная, все-tаки очень однозобразна. Это часто свойствано новым жилым районам и в наших городах. Заметим, что не веса район ОЗУ предоставляется клиенту микрокопьютера; часть страниц, иногда до 50 %, пользовается сам Процессор для сохранения результатов промежуточных вычислений, хранения программы обслуживания и т. п.
Город для хозяйства
Перейдем теперь в район ПЗУ, было он расположен неподалеку. В структуре ОЗУ и ПЗУ есть много общERO, например матричная организация памяти, входные логические и буферные устройства и т. д. Оdnako есть и различия. Ну, прежде всего, здесь размещаются постоянные жители нашего города. Они настолько постоянны, что никакогда не покидают свой жилой район. Кто читал повесь А. и В. Стругацких «Понедельник начинается в субботу», возможно помнить, что ее герой, увлеченные работу научные сотрудники Института Чародейства и Волшебства (НИИЧАВО), для выполнения разныхрутинных дел создавали свои личные копии-дубlikаты, или «дублей». Команды, размещенные в ПЗУ, без всякого钩одействия и без ущерба для себя многократного создания «дублей» по запросу Процессора. Попав в шину данных, «дубли» ничего не отличается от других командных сигналов. Матрица стра-
*) В вычислительной технике термином «ячейка» пользовается для триггерной цепочки, способной запомнить 1 байт=8 бит или одно машинное слово. Мы несколько упрощаем структуру ОЗУ для первого знакомства.
*) Никаких специальных конденсаторов C в микросхеме нет. Мы ранее указывали («Квант», 1986, № 2), что трансистор в СВИС часто использует в роли диода или конденсатора.