Динамическое озу и его виды. Динамическая оперативная память. Достоинства и недостатки динамической памяти

Классификация, структура, характеристики файловых систем!!!

1.Понятие, структура и работа файловой системы.

Файловая система - совокупность (порядок, структура и содержание) организации хранения данных на носителях информации, которая непосредственно представляет доступ к хранимым данным, на бытовом уровне это совокупность всех файлов и папок на диске. Основными "единицами" файловой системы принято считать кластер, файл, каталог, раздел, том, диск.
Совокупность нулей и единиц на носителе информации составляют кластера (минимальный размер места для хранения информации, также их принято называть понятием сектор, размер их кратен 512 байтам).
Файлы - поименованная совокупность байтов, разделенная на сектора. В зависимости от файловой системы, файл может обладать различным набором свойств. Для удобства в работе с файлами используются их (символьные идентификаторы) имена.
Для организации строения файловой системы файлы группируются в каталоги .
Раздел - область диска созданная при его разметке и содержащая один или несколько отформатированных томов.
Том - область раздела с файловой системой, таблицей файлов и областью данных. Один или несколько разделов составляют диск .
Вся информация о файлах хранится в особой области раздела - таблице файлов. Таблица файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы файлов и дополнительную информацию о них (дата изменения, права доступа, имя и т. д.) с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

MBR (Master Boot Record) специальная область расположенная в начале диска - содержащая необходимую для BIOS информацию для загрузки операционной системы с жесткого диска.
Таблица разделов (partition table) также расположена в начале диска, ее задача - хранить информацию о разделах: начало, длина, загрузка. На загрузочном разделе расположен загрузочный сектор (boot sector), хранящий программу загрузки операционной системы.

Отсчет начинается от MBR (от сектора с номером 0) для всех основных (primary) разделов, как для обычных, так и для расширенного, и только для основных.
Все обычные логические (not extended logical) разделы задаются сдвигом относительно начала того расширенного раздела, в котором они описаны.
Все расширенные логические (extended logical) разделы задаются сдвигом относительно начала основного расширенного раздела (extended primary).

Процесс загрузки операционной системы выглядит следующим образом:
При включении компьютера управление процессором получает BIOS ,идет загрузка (boot) с винчестера, подгружается в оперативную память компьютера первый сектор диска (MBR) и передается ему управление).

В MBR может быть записан как "стандартный" загрузчик,

так и загрузчики типа LILO/GRUB.

Стандартный загрузчик находит в таблице основных разделов первый раздел с флагом bootable (загрузочный), считывает его первый сектор (boot-сектор) и передает управление коду, записанному в этом boot-секторе. Если вместо стандартного загрузчика MBR стоит другой, то он не смотрит на флаг bootable, может загружать с любого раздела (прописанных в его настройках).

Например для загрузки операционной системы Windows NT/2k/XP/2003 в boot-секторе записывается код, загружающий с текущего раздела в память основной загрузчик (ntloader).
Для каждой файловой системы FAT16/FAT32/NTFS используется свой загрузчик. В корне раздела обязательно должен присутствовать файл ntldr. Если вы видете при попытке загрузить Windows сообщение "NTLDR is missing", то это как раз тот случай, когда файл ntldr отсутствует. Также для нормальной работы ntldr возможно нужны файлы bootfont.bin, ntbootdd.sys, ntdetect.com и правильно написанный boot.ini.

Пример boot.ini

Пример конфигурационного файла grub.conf

Структура файла lilo.conf

2.Наиболее известные файловые системы.

• Advanced Disc Filing System
• AdvFS
• Be File System
• CSI - DOS
• Encrypting File System
• Extended File System
• Second Extended File System
• Third Extended File System
• Fourth Extended File System
• File Allocation Table (FAT)
• Files - 11
• Hierarchical File System
• HFS Plus
• High Perfomance File System (HPFS)
• ISO 9660
• Journaled File System
• Macintosh File System
• MINIX file system
• MicroDOS
• Next3
• New Implementation of a Log-structured F (NILFS)
• Novell Storage Services
• New Technology File System (NTFS)
• Protogon
• ReiserFS
• Smart File System
• Squashfs
• Unix File System
• Universal Disk Format (UDF)
• Veritas File System
• Windows Future Storage (WinFS)
• Write Anywhere File Layout
• Zettabyte File System (ZFS)

3.Основные характеристики файловых систем.

Операционная система предоставляет приложениям набор функций и структур для работы с файлами. Возможности операционной системы накладывают дополнительные ограничения на ограничения файловой системы, к основным ограничениям можно отнести:

Максимальный (минимальный) размер тома;
- Максимальное (минимальное) количество файлов в корневом каталоге;
- Максимальное количество файлов в некорневом каталоге;
- Безопасность на уровне файлов;
- Поддержка длинных имен файлов;
- Самовосстановление;
- Сжатие на уровне файлов;
- Ведение журналов транзакций;

4.Краткое описание наиболее распространенных файловых систем FAT, NTFS, EXT.

Файловая система FAT .

FAT (file allocation table) означает «таблица размещения файлов».
В файловой системе FAT логическое дисковое пространство любого логического диска делится на две области:
- системную область;
- область данных.
Системная область создается при форматировании и обновляется при манипулировании файловой структурой. Область данных содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому, и доступна через пользовательский интерфейс. Системная область состоит из следующих компонентов:
- загрузочной записи;
- зарезервированных секторов;
- таблицы размещения файлов (FAT);
- корневого каталога.
Таблица размещения файлов представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных. Область данных разбивается на кластеры. Кластер – один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (только в области данных). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в системе управления файлами FAT16 используется 16-битовое слово, следовательно, можно иметь до 65536 кластеров.
Кластер – минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу или некорневому каталогу. Файл или каталог занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что приведет к заметной потере дискового пространства при большом размере кластера.
Так как FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она загружается в ОЗУ и находится там максимально долго.
Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он размещается в фиксированном месте логического диска и имеет фиксированное число элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация в соответствии со следующей структурой:
- имя файла или каталога – 11 байт;
- атрибуты файла – 1 байт;
- резервное поле – 1 байт;
- время создания – 3 байта;
- дата создания – 2 байта;
- дата последнего доступа – 2 байта;
- зарезервировано – 2 байта;
- время последней модификации – 2 байта;
- номер начального кластера в FAT – 2 байта;
- размер файла – 4 байта.
Структура системы файлов является иерархической.

Файловая система FAT32.
FAT32 является полностью независимой 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с FAT16. Принципиальное отличие FAT32 заключается в более эффективном использовании дискового пространства: FAT32 использует кластеры меньшего размера, что приводит к экономии дискового пространства.
FAT32 может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии критических структур данных, что повышает устойчивость дисков к нарушениям структуры FAT по сравнению с предыдущими версиями. Корневой каталог представляет собой обычную цепочку кластеров, поэтому может находиться в произвольном месте диска, что снимает ограничение на размер корневого каталога.

Файловая система NTFS.
Файловая система NTFS (New Technology File System) содержит ряд значительных усовершенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем. С точки зрения пользователей файлы по-прежнему хранятся в каталогах, но работа на дисках большого объема в NTFS происходит намного эффективнее:
- имеются средства для ограничения доступа к файлам и каталогам;
- введены механизмы, существенно повышающие надежность файловой системы;
- сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секторов и/или кластеров.

Основные характеристики файловой системы NTFS:
- надежность. Высокопроизводительные компьютеры и системы совместного использования должны обладать повышенной надежностью, для этой цели введен механизм транзакций, при котором ведется журналирование файловых операций;
- расширенная функциональность. В NTFS введены новые возможности: усовершенствованная отказоустойчивость, эмуляция других файловых систем, мощная модель безопасности, параллельная обработка потоков данных, создание файловых атрибутов, определенных пользователем;
- поддержка стандарта POSIX. К числу базовых средств относятся необязательное использование имен файлов с учетом регистра, хранение времени последнего обращения к файлу и механизм альтернативных имен, позволяющий ссылаться на один и тот же файл по нескольким именам;
- гибкость. Распределение дискового пространства отличается большой гибкостью: размер кластера может изменяться от 512 байт до 64 Кбайт.
NTFS хорошо работает с большими массивами данных и большими томами. Максимальный размер тома (и файла) – 16 Эбайт. (1 Эбайт равен 2**64 или 16000 млрд. гигабайт.) Количество файлов в корневом и некорневом каталогах не ограничено. Поскольку в основу структуры каталогов NTFS заложена эффективная структура данных, называемая «бинарным деревом», время поиска файлов в NTFS не связано линейной зависимостью с их количеством.
Система NTFS обладает некоторыми средствами для самовосстановления и поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, включая ведение журнала транзакций, позволяющий отследить по системному журналу файловые операции записи.
Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности и рассматривает все тома, каталоги и файлы как самостоятельные объекты NTFS. Права доступа к томам, каталогам и файлам зависит от учетной записи пользователя и той группы, к которой он принадлежит.
Файловая система NTFS обладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к томам, каталогам и файлам.

Файловая система Ext3.
Файловая система ext3 может поддерживать файлы размером до 1 ТБ. С Linux-ядром 2.4 объём файловой системы ограничен максимальным размером блочного устройства, что составляет 2 терабайта. В Linux 2.6 (для 32-разрядных процессоров) максимальный размер блочных устройств составляет 16 ТБ, однако ext3 поддерживает только до 4 ТБ.
Ext3 имеет хорошую совместимость с NFS и не имеет проблемы с производительностью при дефиците свободного дискового пространства.Еще одно достоинство ext3 происходит из того, что она основана на коде ext2. Дисковый формат ext2 и ext3 идентичен; из этого следует, что при необходимости ext3 filesystem можно монтировать как ext2 без каких либо проблем. И это еще не все. Благодаря факту, что ext2 и ext3 используют идентичные метаданные, имеется возможность оперативного обновления ext2 в ext3.
Надежность Ext3
В дополнение к ext2-compatible, ext3 наследует другие преимущества общего формата metadata. Пользователи ext3 имеют в своем распоряжении годами проверенный fsck tool. Конечно, основная причина перехода на journaling filesystem - отказ от необходимости периодических и долгих проверок непротиворечивости метаданных на диске. Однако "журналирование" не способно защитить от сбоев ядра или повреждения поверхности диска (или кое-чего подобного). В аварийной ситуации вы оцените факт преемственности ext3 от ext2 с ее fsck.
Журнализация в ext3.
Теперь, когда имеется общее понимание проблемы, посмотрим, как ext3 осуществляет journaling. В коде журнализации для ext3 используется специальный API, называемый Journaling Block Device layer или JBD. JBD был разработан для журнализации на любых block device. Ext3 привязана к JBD API. При этом код ext3 filesystem сообщает JBD о необходимости проведения модификации и запрашивает у JBD разрешение на ее проведение. Журналом управляет JBD от имени драйвера ext3 filesystem. Такое соглашение очень удобно, так как JBD развивается как отдельный, универсальный объект и может использоваться в будущем для журналирования в других filesystems.
Защита данных в Ext3
Теперь можно поговорить о том, как ext3 filesystem обеспечивает журнализацию и data, и metadata. Фактически в ext3 имеются два метода гарантирования непротиворечивости.
Первоначально ext3 разрабатывалась для журналирования full data и metadata. В этом режиме (называется "data=journal" mode), JBD журналирует все изменения в filesystem, связанные как с data, так и с metadata. При этом JBD может использовать журнал для отката и восстановления metadata и data. Недостаток "полного" журналирования в достаточно низкой производительности и расходе большого объема дискового пространства под журнал.
Недавно для ext3 был добавлен новый режим журналирования, который сочетает высокую производительность и гарантию непротиворечивости структуры файловой системы после сбоя (как у "обычных" журналируемых файловых систем). Новый режим работы обслуживает только metadata. Однако драйвер ext3 filesystem по-прежнему отслеживает обработку целых блоков данных (если они связаны с модификацией метаданных), и группирует их в отдельный объект, называемый transaction. Транзакция будет завершена только после записи на диск всех данных. "Побочный" эффект такой "грубой" методики (называемой "data=ordered" mode) - ext3 обеспечивает более высокую вероятность сохранности данных (по сравнению с "продвинутыми" журналируемыми файловыми системами) при гарантии непротиворечивости metadata. При этом происходит журналирование изменений только структуры файловой системы. Ext3 использует этот режим по умолчанию.
Ext3 имеет множество преимуществ. Она разработана для максимальной простоты развертывания. Она основана на годами проверенном коде ext2 и получила "по наследству" замечательный fsck tool. Ext3 в первую очередь предназначена для приложений, не имеющих встроенных возможностей по гарантированию сохранности данных. В целом, ext3 - замечательная файловая система и достойное продолжение ext2.Есть еще одна характеристика, положительно отличающая ext3 от остальных journaled filesystems под Linux - высокая надежность.

Файловая система ext4 является достойным эволюционным продолжением системы ext.

Оперативная память (Random Access Memory – RAM), т.е. память с произвольным доступом, используется центральным процессором для совместного хранения данных и исполняемого программного кода. По принципам хранения информации ОЗУ можно разделить на статические и динамические.

Оперативную память можно рассматривать как некий набор ячеек, каждая из которых может хранить один информационный бит.

В статических ОЗУ ячейки построены на различных вариантах триггеров. После записи бита в такую ячейку она может сохранять его сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти – статическая, т.е. пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками – высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает на кристалле немало места. К примеру, микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы более чем из 24 млн. транзисторов, потребляя соответствующую мощность.

В динамических ОЗУ элементарная ячейка представляет собой конденсатор, выполненный по КМОП – технологии. Такой конденсатор способен в течение нескольких миллисекунд сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. При записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля – разряжается. При считывании данных конденсатор разряжается, и если его заряд был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Процесс считывания (обращения к ячейке) сочетается с восстановлением (регенерацией) заряда. Если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то конденсатор за счет токов утечки разряжается и информация теряется. Для компенсации утечки заряда периодически циклически обращаются к ячейкам памяти, т.к. каждое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора. К достоинствам динамической памяти относятся высокая плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам – низкое быстродействие по сравнению со статической памятью.

В настоящее время динамическая память (Dynamic RAM – DRAM) используется в качестве оперативной памяти компьютера, а статическая память (Static RAM – SRAM)- для создания высокоскоростной кэш – памяти процессора.

Микросхемы динамической памяти организованы в виде квадратной матрицы, причем пересечение строки и столбца матрицы задает одну из элементарных ячеек. При обращении к той или иной ячейке нужно задать адрес нужной строки и столбца. Задание адреса строки происходит, когда на входы микросхемы подается специальный стробирующий импульс RAS (Raw Address Strobe), а задание адреса столбца – при подаче импульса CAS (Column Address Strobe). Импульсы RAS и CAS подаются последовательно друг за другом по мультиплексированной шине адреса.

Регенерация в микросхеме происходит одновременно по всей строке матрицы при обращении к любой из ее ячеек, т.е. достаточно циклически перебрать все строки.

Основой ячейки памяти в ЗУ статического типа является триггер. В качестве базовых элементов для реализации триггера используются полевые транзисторы. Использование полевых транзисторов обусловлено тем, что они потребляют меньшую мощность, чем биполярные транзисторы, следовательно, и построенные на их основе микросхемы памяти являются более экономичными.

На рисунке 19.1 представлен триггер на МОП-транзисторах с индуцируемым p -каналом. Для отпирания такого транзистора напряжение на его затворе относительно истока должно быть меньше нуля: .

Пусть в исходном состоянии транзистор VT3 открыт, a VT1 закрыт (состояние хранения нуля). Транзисторы VT2 и VT4 выполняют роль резисторов, поэтому на стоке транзистора VT3 будет потенциал напряжения питания , а на стоке транзистора VT1 – нулевой потенциал. Транзисторы VT5 и VT6 осуществляют запись и считывание информации. В режиме хранения данных напряжения на разрядных линиях P0 и P1 равны нулю, а на линии потенциал равен напряжению питания схемы . При этом напряжение сток-исток на транзисторе VT5 равно нулю, и транзистор VT5 закрыт. Напряжение транзистора VT6 равно нулю и он также закрыт.

Рисунке 19.1 – Принципиальная схема ячейки ОЗУ статического типа

Для установления триггера в единичное состояние (запись единицы) на линию подается нулевой потенциал, а на разрядную линию P1 потенциал равный . При этом транзистор VT5 будет включен инверсно, т. е. истоком становится вывод, подсоединенный к разрядной линии P1. Напряжение затвор-исток инверсно включенного транзистора VT5 становится меньше нуля и транзистор VT5 открывается. Положительный сигнал поступает на затвор транзистора VT3 , при этом становится равным нулю и транзистор VT3 закрывается. В результате на затвор транзистора VT1 поступает нулевой потенциал. У этого транзистора становится отрицательным, и транзистор VT1 открывается, на его стоке устанавливается положительное напряжение, что соответствует единичному состоянию триггера. Напряжение на стоке VT3 становится равным нулю.

Для записи нуля необходимо при нулевом напряжении на линии А подать напряжение на разрядную линию P0 , при этом через открытый транзистор VT6 положительное напряжение, попадая на затвор транзистора VT1, запирает его, что приводит к открыванию транзистора VT3. На стоке транзистора VT1 установится нулевой потенциал, а на стоке транзистора VT3 – потенциал напряжения питания.

Для считывания информации, предварительно записанной в триггер, необходимо подать нулевой потенциал только на линию. При этом если был открыт транзистор VT1 (единичное состояние), то отрицательным напряжением будет открыт транзистор VT5 и через него высокий потенциал поступит в разрядную линию P1 . Если триггер находится в состоянии нуля, то откроется транзистор VT6 и высокий потенциал поступит в разрядную линию Р0.

На рисунке 19.2 приведена типичная структура микросхемы ОЗУ статического типа. Информация хранится в накопителе. Накопитель представляет собой матрицу, составленную из ячеек памяти рассмотренных выше. Для поиска требуемой ячейки памяти указываются строка и столбец, соответствующие положению ячейки памяти в накопителе.

Рисунок 19.2 – Структура микросхемы ОЗУ статистического типа

Адрес ячейки памяти (ЯП) в виде двоичного числа принимается по шине адреса в регистр адреса. Число разрядов адреса связано с емкостью накопителя. Число строк и столбцов накопителя выбираются равными целой степени двух. Если число строк и число столбцов , то общее число ячеек памяти (емкость накопителя)
, где – число разрядов адреса, принимаемого в регистр адреса. Например, при емкости число разрядов адреса . При этом выбирается . В этом случае число строк и число столбцов накопителя равно . Требуемая размерность матрицы накопителя – .

Разряды регистра адреса подразделяются на две группы. Одна группа в n1 разрядов определяет двоичный номер строки, в которой расположена ячейка памяти, другая группа в n2 разрядов определяет двоичный номер столбца, в котором находится ячейка памяти. Каждая группа разрядов адреса подается на соответствующий дешифратор строк или столбцов. При этом каждый из дешифраторов создает на одной из своих выходных цепей уровень логического нуля. На остальных выходах устанавливается уровень логической единицы. Ячейка памяти, оказавшаяся под воздействием двух логических нулей на соответствующих линиях и одновременно, является выбранной. Этому соответствует подача логического нуля на линию триггера ячейки памяти, рассмотренной выше.

В режиме считывания содержимое ячейки памяти выдается на усилитель считывания и с него на выход микросхемы DO. При этом сигнал записи должен иметь пассивный единичный уровень. Режим записи устанавливается подачей активного нулевого уровня сигнала на вход записи . Открывается усилитель записи, и бит информации с входа данных DI поступает в выбранную ячейку памяти для запоминания, при этом усилитель считывания закрывается и данные на выход DO схемы не поступают.

Указанные процессы происходят, если на входе выбора микросхемы действует активный уровень логического нуля. При уровне логической единицы на этом входе на всех выходах дешифратора строк устанавливается уровень логической единицы, и ЗУ оказывается в режиме хранения. Последовательность подачи управляющих сигналов индивидуальна для каждого типа микросхемы памяти. Между тем имеются общие закономерности. Рассмотрим последовательность подачи сигналов управления в режимах чтения и записи (рисунок 19.3).

Первым как в режиме записи, так и в режиме считывания на шину адреса должен выставляться адрес активизируемой ячейки памяти. Снимается адрес с шины после того, как запись в ячейку или чтение из ячейки завершено.

Рисунок 19.3 – Временные диаграммы работы ОЗУ статического типа

Один из управляющих сигналов записи, или выбора микросхемы, или оба должны устанавливаться в активное состояние после установки адреса (интервалы времени, и , ) и сниматься до снятия адреса (интервалы времени , и , ). Тем самым обеспечивается высокоимпедансное состояние выводов DO и DI микросхемы, что исключает возможность ложного обмена информацией между микросхемами памяти и устройствами при смене адресов. В случае пассивного уровня сигнала отключается соответствующий буферный усилитель считывания или записи в каждом из своих режимах. В случае же пассивного уровня сигнала вырабатывается единичный уровень сигнала на линии ячейки памяти, благодаря чему она отключается от линий P0 ) и P1 хранит записанную информацию.

На рисунке 19.3 приведены временные диаграммы работы ОЗУ в случае смены режима, т.е. режим считывания осуществляется после режима записи, а режим записи – после режима считывания. Поэтому происходит установка обоих сигналов и .

Обычно при нескольких режимах чтения подряд и при отсутствии обращения к микросхеме памяти сигнал имеет постоянное значение логической единицы. В этом случае активизация входа DO осуществляется только нулевым уровнем сигнала на входе . Первым определяется режим работы памяти, т.е. подается сигнал . Управление выводами DI и DO осуществляется сигналом , который подается внутри временного интервала действия сигнала .

Считывание информации из микросхемы памяти возможно только в интервал времени , когда завершился процесс формирования данных на выходе DO (интервал времени ), и пока не снят сигнал выбора микросхемы. При этом время выборки характеризуется временным интервалом с момента выставления сигнала и до момента формирования информации на выходе DO.

В режиме записи сигнал должен выставляться только тогда, когда записываемые данные готовы и поступили на вход DI (временной интервал ). Аналогично сами данные для записи должны быть подготовлены к моменту, когда выработается активный уровень сигнала (временной интервал ), и удержаны до окончания действия этого сигнала.

Микросхемы ОЗУ допускают наращивание емкости памяти как путем наращивания числа хранимых слов, так и путем наращивания разрядности этих слов. На практике часто используется комбинированная структура, объединяющая наращивание, как разрядности, так и количества хранимых слов. В этом случае формируется некоторое количество однотипных групп микросхем, объединенных в структуру с наращиванием разрядности слов. Далее эти группы объединяются в единую структуру с наращиванием количества хранимых слов.

Динамическое оперативное запоминающее устройство.

Как уже отмечалось, информация в ячейке динамического ОЗУ представлена в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе. Схема ячейки памяти динамического ЗУ на одном МОП – транзисторе с индуцируемым -каналом представлена на рисунок 19.4 (выделена пунктирной линией).

Рисунке 19.4 – Принципиальная схема ячейки ОЗУ динамического типа с элементами записи и усилителя считывания

На схеме также показаны общие элементы для – ячеек одного столбца. Главное достоинство этой схемы – малая занимаемая площадь. Накопительный конденсатор имеет МДП-структуру и изготовляется в едином технологическом цикле. Величина его емкости составляет сотые доли пФ. Конденсатор хранит информационный заряд. Транзистор выполняет роль переключателя, передающего заряд конденсатора в разрядную шину данных ШД при считывании либо заряжающего конденсатор при записи. В режиме хранения на адресной линии должен присутствовать потенциал логической единицы, под действием которого транзистор будет закрыт и конденсатор отключен от шины данных ШД. Включение конденсатора в шину данных осуществляется логическим нулем на линии . При этом на транзистор подается напряжение что приводит к его открыванию.

Поскольку шина данных ШД объединяет все ячейки памяти данного столбца, то она характеризуется большой длиной и ее собственная емкость имеет существенное значение. Поэтому при открывании транзистора потенциал шины данных изменяется незначительно. Чтобы установившийся потенциал на ШД однозначно идентифицировать с уровнем напряжения логического нуля или логической единицы, используется усилитель на базе транзистора и резистора . Непосредственно перед считыванием емкость шины данных подзаряжают подключением ее к источнику питания через транзистор . Делается это для фиксации потенциала шины данных. При считывании информации происходит перераспределение заряда конденсатора и заряда шины данных, в результате чего информация, хранимая на конденсаторе , разрушается. Поэтому в цикле считывания необходимо произвести восстановление (регенерацию) заряда конденсатора. Для этих целей, а также для записи в ячейку памяти новых значений, используются транзисторы и , которые подключают шину данных либо к источнику питания, либо к нулевому общему потенциалу. Для записи в ячейку памяти логической единицы необходимо открыть транзистор нулевым значением управляющего сигнала и подключить к шине данных источник питания. Для записи логического нуля необходимо нулевым потенциалом на входе открыть транзистор . Одновременная подача логических нулей на входы и не допускается, так как это вызовет короткое замыкание источника питания на общий провод заземления.

На рисунке 19.5 показан пример структуры микросхемы динамического ОЗУ емкостью 64 Кбит. Данные в этой микросхеме памяти представлены как 64 К отдельных бит, т.е. формат памяти 64 . Ввод и вывод осуществляется раздельно, для чего предусмотрена пара выводов и . Для ввода адреса имеется восемь контактов . Адресация к 64 К ячейкам памяти осуществляется шестнадцатиразрядными адресами . Причем сначала на входы подаются восемь младших разрядов адреса, а затем – восемь старших разрядов . Восемь младших разрядов адреса фиксируются в регистре адреса строки подачей сигнала (сигнал выборки строки). Восемь старших разрядов адреса фиксируются в регистре адреса столбца подачей сигнала (сигнал выборки столбца). Такой режим передачи кода адреса называется мультиплексированным по времени.

Рисунок 19.5 – Структура микросхемы ОЗУ динамического типа

Мультиплексирование позволяет сократить количество выводов микросхемы. Ячейки памяти расположены в виде матрицы из 128 строк и 512 столбцов.

На рисунке 19.6 представлены временные диаграммы, поясняющие работу динамического ОЗУ. В режиме считывания на адресные входы микросхемы подаются восемь младших разрядов , при этом производится выбор строки матрицы в соответствии с поступившим адресом. У всех ячеек памяти выбранной строки регенерируется заряд конденсаторов. Далее производится подача на адресные входы микросхемы восьми старших разрядов адреса, после чего вырабатывается сигнал . Этим сигналом выбирается нужная ячейка памяти из выбранной строки и считанный бит информации поступает на выход микросхемы . В режиме считывания промежуток времени между подачей сигнала и появлением данных на выходе называется временем выборки .

Рисунок 19.6 – Временные диаграммы работы ОЗУ динамического типа

В режиме записи за время цикла записи принимается интервал времени между появлением сигнала и окончанием сигнала . В момент появления сигнала записываемые данные уже должны поступать на вход . Сигнал обычно вырабатывается раньше сигнала .

Для каждого типа микросхем динамических ОЗУ в справочниках приводятся временные параметры, регламентирующие длительность управляющих сигналов, подаваемых на микросхему, а также порядок их взаимного следования.

Заряд конденсатора динамического ОЗУ со временем уменьшается вследствие утечки, поэтому для сохранения содержимого памяти процесс регенерации каждой ячейки памяти должен производится через определенное время. Следовательно, для предотвращения разряда запоминающих конденсаторов необходимо обращаться к каждой строке матрицы через определенное время. При обычном режиме работы ОЗУ это условие не соблюдается, так как обращение к одним ячейкам происходит часто, а к другим очень редко. Поэтому необходим специальный блок, ответственный за регенерацию памяти.

Для правильной работы динамического ОЗУ требуется довольно сложная схема управления. Вследствие того, что обращение к ОЗУ со стороны устройств, с которыми оно работает, и обращение со стороны схемы регенерации не зависит один от другого, следовательно, могут возникать одновременно, то необходимая схема, обеспечивающая упорядоченность этих обращений. Для этих целей существует схемы, управляющие работой динамических ОЗУ, реализованные на одном кристалле. Их использование позволяет значительно упростить построение памяти на динамических ОЗУ.

Постоянное запоминающее устройство предназначено для долговременного хранения информации, не разрушаемой при отключении питания. Принцип работы ПЗУ поясняет схема, изображенная на рисунке 19.7.

Таким образом, информация, хранимая в ПЗУ, определяется расположением диодов в пересечениях горизонтальных и вертикальных линий. При этом необходимое расположение диодов можно организовать двумя путями. В первом случае запись необходимой информации выполняется в ходе технологического процесса изготовления ПЗУ с использованием маскирующих фотошаблонов, причем запись информации производится в соответствии с технической документацией на данное ПЗУ. Такие ПЗУ называются масочными. Примерами таких ПЗУ являются ПЗУ с записанными программами работы станков с числовым управлением, преобразователи кодов и ряд других случаев, когда одна и та же информация используется в процессе работы множества однотипных устройств.

Рисунок 19.7 – Структура схема масочного ПЗУ

Во втором случае запись в ПЗУ осуществляет сам пользователь. Такие ПЗУ называются прожигаемыми ПЗУ. Запись информации в них производится с помощью специальных устройств, называемых программаторами. В процессе изготовления прожигаемых ПЗУ диоды устанавливаются во всех без исключения точках пересечения вертикальных и горизонтальных линий. Последовательно с каждым диодом включены плавкие перемычки, изготавливаемые из материала с относительно большим удельным сопротивлением, обычно из поликристаллического кремния или нихрома.

Если через горизонтальную и вертикальную линии пропустить импульс тока порядка 20 мА и длительностью 1 мс, то плавкая перемычка выгорает и соответствующий диод оказывается отключенным. Очевидно, что однажды записанная таким образом информация не может быть изменена. В реальных микросхемах ПЗУ вместо диодов обычно используются биполярные или полевые транзисторы.

Отдельным классом ПЗУ выделяют перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ), которые допускают стирание записанной информации и запись новой. Схема ППЗУ почти полностью совпадает с ранее рассмотренной схемой ПЗУ с той разницей, что в точках пересечения горизонтальных и вертикальных линий вместо диодов включены специальные МДП – транзисторы с так называемым изолированным затвором.

В обычном состоянии участок исток-сток транзистора электрический ток не проводит. Однако если приложить между истоком и стоком большое напряжение (приблизительно 80 В), то затвор зарядится в результате инжекции электронов. Такой процесс называется зарядкой через влияние. В дальнейшем заряд затвора будет сохраняться достаточно долго. Благодаря весьма высокому качеству диэлектрика из двуокиси кремния при температуре заряд уменьшается на 70% первоначального значения примерно за 10 лет. Отрицательный заряд на затворе притягивает дырки, создает в « -области проводящий -канал между истоком и стоком, т.е. транзистор оказывается в проводящем состоянии.

Стирание информации производится путем подачи специальных электрических сигналов в течение определенного времени. В качестве соединительного транзистора в электрически стираемых ППЗУ используется МНОП-транзистор. Он имеет следующую структуру: металл – нитрид кремния – оксид – полупроводник. Между затвором и полупроводником находятся два разных слоя диэлектрика. Использование таких ППЗУ позволяет осуществлять процесс программирования, не извлекая микросхему из устройства, в котором она эксплуатируется.

Контрольные вопросы

1 Провидите сравнительный анализ БИС ОЗУ статического и динамического типов.

2 Поясните принцип функционирования ячейки ОЗУ статического типа.

3 Какие функции в микросхеме памяти выполняют дешифраторы строк и столбцов?

4 Какая общая последовательность подачи управляющих сигналов на микросхемы ОЗУ статического типа в режиме считывания и записи?

5 Какие способы увеличения объема хранимой информации при организации модулей оперативной памяти вам известны?

6 Поясните принципы функционирования микросхем ОЗУ динамического типа.

7 Как организуется хранение информации в микросхемах ПЗУ?

8 Как реализуется возможность записи информации в прожигаемые ПЗУ?

9 Каким образом реализуются стирание и запись информации в ППЗУ?

ОЗУ динамического типа

В запоминающих устройствах динамического типа информация хранится в виде заряда на конденсаторе. Поэтому питание на ОЗУ подается не постоянно, а только в очень короткие промежутки времени. Оно используется для восстановления заряда на конденсаторах матрицы ОЗУ. Благодаря импульсному питанию динамические ОЗУ потребляют в тысячи раз меньше мощности, чем аналогичные по емкости статические.

В микросхемах динамической памяти функции запоминающих элементов выполняют электрические конденсаторы, образованные внутри МДП-структуры. Поскольку время сохранения заряда на конденсаторе ограничено, необходимо предусмотреть восстановление (регенерацию) записанной информации. Период регенерации для динамических ОЗУ равен нескольким миллисекундам (для микросхем серии К565 время регенерации 2 мс).

Микросхемы (МС) большинства динамических ОЗУ с целью уменьшения количества выводов построены с мультиплексированием кода адреса: вначале в МС вводят код строки А0 – А7, фиксируя его во входном регистре стробирующим сигналом RAS (Row Address Strobe ), а затем код адреса столбца А8 – А13, фиксируя его во внутреннем регистре стробирующим сигналом CAS (Column Address Strobe ).

В режиме регенерации микросхема ОЗУ изолируется от информационных входа и выхода за счет подачи сигнала CAS = 1. Следовательно, адресуются только строки, т.к. регенерация информации происходит во всех элементах памяти строки одновременно.

Перебирая адреса строк, устройство регенерации обеспечивает восстановление информации во всей матрице накопителя. Условное обозначение БИС динамического ОЗУ типа К565РУ5 и временная диаграмма функционирования показаны на рисунке 5.6.

Схема динамической ячейки памяти на 8 транзисторах показана на рисунке 5.7. Она отличается от аналогичной ячейки статического ОЗУ только тем, что затворы транзисторов Т3 и Т6 соединены с генератором импульсов регенерации, а не с источником питания.

Рисунок 5.7 - Схема ячейки памяти динамического ОЗУ	Рисунок 5.8 – Схема однотранзисторной ячейки динамического ОЗУ

За счет уменьшения количества транзисторов на одну ячейку удалось существенно увеличить емкость динамической памяти, располагаемой на одном кристалле и снизить потребление энергии от источника питания.

5.5. Постоянные запоминающие устройства

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) являются энергонезависимыми устройствами, служащими для хранения цифровых данных. ПЗУ могут быть построены на пассивных элементах (плавких перемычках П или диодах D) или активных (транзисторах). Схема ПЗУ представляет собой матрицу (рисунок 5.9) количество горизонтальных линий равно разрядности хранимого слова, а число вертикальных – количеству хранимых слов.

Как видно из схемы, при активации адресной линии вертикальная шина соединяется с сигнальной землей и диоды, подключенные к этой шине, шунтируют линии данных на "землю". Таким образом, если горизонтальная линии данных соединена с вертикальной через диод (или перемычку), то при выборе адресной линии, на выходе линии данных будет потенциал близкий к нулю, т. е. логический 0. Если диод или перемычка отсутствуют в данном узле, то на соответствующем выходе линии данных присутствует высокий потенциал, близкий к Е П , т.е. логическая 1. Обычно такие ПЗУ изготавливаются со всеми диодами (или плавкими перемычками) в узлах матрицы. В тех узлах, в которых диод или перемычка должны отсутствовать, их убирают путем выжигания. Эта процедура выполняется в процессе программирования ПЗУ и называется "прожиганием ПЗУ".

Рисунок 5.9 – Схема матричного ПЗУ

Запись информации в ПЗУ осуществляется пословно (побайтно). Для занесения информации в ячейку ПЗУ необходимо на линии данных, в которых должна быть "1", подать высокий потенциал (≈ 25 В) и выбрать соответствующую адресную линию, т.е. соединить ее с сигнальной землей. Протекающий ток расплавляет диод или плавкую перемычку, исключая тем самым шунтирующую цепь соответствующей линии данных.

Недостаток рассмотренной схемы ПЗУ состоит в том, что после занесения информации в это устройство ее нельзя изменить. То есть, при изменении программы, подлежащей хранению в ПЗУ, необходимо запрограммировать новое устройство. Для устранения этого недостатка разработаны полупостоянные электрически перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ЭППЗУ). Схема ЭППЗУ подобна ПЗУ на основе МОП транзисторов, однако транзисторы в таком устройстве имеют "плавающий" затвор, который электрически изолирован оксидным слоем полупроводникового материала. Схема ЭППЗУ изображена на рисунке 5.10. При подаче на "плавающий" затвор (ПЗ) положительного потенциала по отношению к стоку транзистора на ПЗ индуцируется электрический заряд, который за счет высококачественной изоляции может сохраняться до 10 лет и более. Благодаря этому заряду транзистор находится в открытом состоянии, при котором сопротивление Сток-Исток становится близким к нулю.