ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ... 3

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΜΝΗΜΗ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ... 3 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.1. ΕΙ Η ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ ΜΝΗΜΗ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ ΜΟΝΟ (ROM) ΜΝΗΜΗ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΓΓΡΑΦΗΣ (RAM) ΕΝΟΤΗΤΑ 7.2. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΜΝΗΜΗΣ ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΛΕΞΗΣ ΜΙΑΣ ΜΝΗΜΗΣ ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΜΙΑΣ ΜΝΗΜΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΑΥΤΟΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗ ΑΓΓΛΙΚΩΝ ΟΡΩΝ ΣΤΗΝ ΕΛΛΗΝΙΚΗ

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΜΝΗΜΗ Σκοπός Το κεφάλαιο αυτό αναφέρεται στη µελέτη των διαφορετικών τύπων µνήµης, δίνοντας ιδιαίτερη έµφαση στις ηµιαγωγικές µνήµες, που είναι και οι κυρίαρχες στην εποχή µας. Στόχος µας είναι να γνωρίσουµε όλους τους τύπους µνήµης ROM και RAM και τους τρόπους διασύνδεσής τους, ώστε να µπορούµε να σχεδιάζουµε µονάδες αποθήκευσης οποιουδήποτε µήκους λέξης και µεγέθους. Προσδοκώµενα αποτελέσµατα Μετά την ολοκλήρωση της µελέτης του Κεφαλαίου, θα είστε σε θέση να: κατανοείτε και να χρησιµοποιείτε σωστά την ορολογία τη σχετική µε τα συστήµατα µνήµης επιλέγετε τον τύπο µνήµης ROM ή RAM ανάλογα µε την εφαρµογή επιλέγετε τον τύπο µνήµης ROM ή RAM ανάλογα µε την απαιτούµενη ταχύτητα λειτουργίας και κατανάλωση ισχύος προσδιορίζετε τη χωρητικότητα ενός ολοκληρωµένου µνήµης από το πλήθος των εισόδων και εξόδων του διασυνδέετε ολοκληρωµένα κυκλώµατα µνήµης RAM ή ROM, έτσι ώστε να πετυχαίνετε την επέκταση του µήκους λέξης ή της αποθηκευτικής ικανότητας Έννοιες κλειδιά RAM / ROM / EPROM χρόνος προσπέλασης στατική / δυναµική µνήµη επέκταση µνήµης αποκωδικοποίηση µνήµης πρόσκαιρη / µη-πρόσκαιρη µνήµη σειριακή / τυχαία προσπέλαση 2

3 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Στα ψηφιακά συστήµατα, τα κυκλώµατα µνήµης παρέχουν τη δυνατότητα προσωρινής ή µόνιµης αποθήκευσης πληροφορίας (δεδοµένων ή εντολών) για µελλοντική χρήση. Σήµερα είναι ευρέως γνωστό ότι το αποθηκευτικό µέσο µπορεί να είναι είτε ένα ηµιαγωγικό ολοκληρωµένο κύκλωµα (semiconductor integrated circuit) είτε µία µαγνητική συσκευή, όπως για παράδειγµα ένας µαγνητικός δίσκος ή µια µαγνητική ταινία, είτε τέλος µια οπτική συσκευή, όπως το CD ROM. Καθένα από αυτά τα αποθηκευτικά µέσα παρουσιάζει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ως προς τη δυνατότητα αποθήκευσης, δηλαδή το µέγεθος της µνήµης, το χρόνο προσπέλασης της πληροφορίας και το κόστος ανά δυαδικό ψηφίο (bit) πληροφορίας. Με τον όρο χρόνος προσπέλασης ή χρόνος πρόσβασης (access time) της µνήµης εννοούµε το χρονικό διάστηµα που παρέρχεται από τη στιγµή που θα ζητήσουµε το περιεχόµενο µιας θέσης µνήµης µέχρι τη στιγµή που αυτό θα µας είναι διαθέσιµο στην έξοδο αυτής. Με άλλα λόγια, ο χρόνος προσπέλασης µας δείχνει το πόσο γρήγορη είναι µια µνήµη. Η πυραµίδα του Σχήµατος 7.1 µας δίνει µια εποπτική εικόνα της ιεραρχίας της µνήµης ως προς τα κύρια χαρακτηριστικά, που µόλις αναφέραµε. υνατότητα αποθήκευσης Κόστος ανά bit Καταχω -ρητές Κρυφή Μνήµη RAM ROM CPU Κύρια Μνήµη Χρόνος προσπέλασης Μαγνητικοί ίσκοι Οπτικοί ίσκοι ευτερεύουσα Μνήµη Σχήµα 7.1. Ταξινόµηση της µνήµης ως προς το µέγεθος, το χρόνο προσπέλασης και το κόστος. Στην κορυφή της πυραµίδας βρίσκονται οι καταχωρητές (registers), τους οποίους έχουµε ήδη µελετήσει στο Κεφάλαιο 4. Πρόκειται για τα πιο γρήγορα στοιχεία αποθήκευσης, δηλαδή ο χρόνος προσπέλασης των περιεχοµένων τους είναι ο ελάχιστος δυνατός (ίσος προς την καθυστέρηση διάδοσης µέσω κάποιων πυλών). Το µέγεθος της πληροφορίας, που συνήθως αποθηκεύεται στους καταχωρητές, είναι πολύ µικρό, της 3

4 τάξεως των δεκάδων ψηφιολέξεων (bytes 1 ), ενώ το κόστος ανά bit είναι πολύ µεγάλο. Στη βάση της πυραµίδας βρίσκονται τα οπτικά µέσα αποθήκευσης. Όπως γνωρίζουµε σήµερα, το κόστος αυτών είναι εξαιρετικά χαµηλό και η δυνατότητα αποθήκευσης εντυπωσιακά µεγάλη. Ο χρόνος προσπέλασης, όµως, είναι επίσης πολύ µεγάλος σε σχέση µε τα άλλα είδη µνήµης, που αναφέρονται στο Σχήµα 7.1. Ας σηµειωθεί ότι στο σχήµα αυτό δεν έχουµε συµπεριλάβει τις µαγνητικές δισκέτες (magnetic diskettes) και τις µαγνητικές ταινίες (magnetic tapes, tape streamers, cassettes), γιατί οι χρόνοι προσπέλασης αυτών είναι πολύ µεγάλοι και µη συγκρίσιµοι µε τους χρόνους των υπόλοιπων. Το µειονέκτηµα του µεγάλου χρόνου προσπέλασης σε συνδυασµό µε την περιορισµένη αξιοπιστία τους συντελεί στο να µειώνεται όλο και περισσότερο η χρήση τους. Αν θα θέλαµε να συµπεριλάβουµε και αυτά τα µέσα αποθήκευσης, τότε θα έπρεπε να επεκτείνουµε τη βάση της πυραµίδας του Σχήµα 7.1 µε δύο ακόµη επίπεδα. Στο πρώτο (αµέσως µετά τους οπτικούς δίσκους) θα τοποθετούσαµε τις δισκέτες και στο δεύτερο τις µαγνητικές ταινίες. Από το Σχήµα 7.1 παρατηρούµε επίσης ότι ο συνδυασµός χρόνου προσπέλασης, δυνατότητας αποθήκευσης και κόστους διαφοροποιεί τη χρήση της µνήµης ως κύριας ή δευτερεύουσας. Κύρια µνήµη (main memory) ή µνήµη εργασίας (working memory) είναι η µνήµη, στην οποία αποθηκεύονται οι εντολές και τα δεδοµένα, τα οποία χρησιµοποιεί κατά τη λειτουργία της η κεντρική µονάδα επεξεργασίας (CPU, Central Processing Unit). Η κύρια µνήµη, όπως και οι καταχωρητές, καθώς και η κρυφή µνήµη, για την οποία θα µιλήσουµε στην ενότητα 7.1, είναι πάντοτε ηµιαγωγικές µνήµες. Η δευτερεύουσα µνήµη (secondary memory) ή βοηθητική µνήµη (auxiliary memory) ή µνήµη µαζικής αποθήκευσης (mass storage) είναι η µνήµη, όπου γίνεται η µαζική αποθήκευση των δεδοµένων και των προγραµµάτων. Είναι πολύ πιο αργή από την κύρια µνήµη, αλλά έχει πολύ µεγαλύτερη χωρητικότητα. Για να γίνει η επεξεργασία των δεδοµένων ή για να εκτελεστεί ένα πρόγραµµα, δηλαδή ένα σύνολο εντολών, αυτά πρέπει να µεταφερθούν από τη δευτερεύουσα στην κύρια µνήµη. Ας προσπαθήσουµε να γίνουµε πιο συγκεκριµένοι όσον αφορά στους χρόνους προσπέλασης της µνήµης, γιατί έτσι θα γίνει 1 Υπενθυµίζεται ότι µία ψηφιολέξη (1 byte) αντιστοιχεί σε 8 δυαδικά ψηφία (8 bits). Μια τετράδα δυαδικών ψηφίων (4 bits) ονοµάζεται nibble. Η χωρητικότητα, δηλαδή το µέγεθος, µιας µνήµης µετριέται σε ΚΒ (1 ΚΒ 1 Kbyte = 2 10 bytes = 1024 bytes) ή σε MB (1 MB 1 Mbyte = 2 20 bytes = bytes) ή σε GB (1 GB 1 Gbyte = 2 30 bytes = bytes). Τέλος, όλο και περισσότερο θα ακούµε για χωρητικότητες της τάξεως του ΤΒ (Terra byte), όπου 1 ΤΒ 1 Tbyte = 2 40 bytes. 4

5 πιο κατανοητός και ο διαχωρισµός µεταξύ κύριας και δευτερεύουσας µνήµης. Ένας τυπικός χρόνος 2 προσπέλασης της κύριας µνήµης είναι 50ns, ενώ ο χρόνος προσπέλασης ενός µαγνητικού σκληρού δίσκου είναι της τάξεως των 15ms. Αυτό σηµαίνει ότι ένας σκληρός δίσκος είναι περίπου φορές πιο αργός! Τελειώνοντας τη µικρή αυτή εισαγωγή στις µνήµες, θα ήταν χρήσιµο να αναφέρουµε δύο ακόµη έννοιες, τις οποίες συναντούµε πολύ συχνά: Πτητική ή πρόσκαιρη µνήµη (volatile memory) είναι εκείνη η οποία "χάνει" την πληροφορία που είναι αποθηκευµένη σε αυτή, µόλις σταµατήσει η παροχή ηλεκτρικής ισχύος, δηλαδή µόλις σταµατήσει η τροφοδοσία της µνήµης. Στην αντίθετη περίπτωση, η µνήµη είναι µη-πτητική (non-volatile memory). Για παράδειγµα, η δευτερεύουσα µνήµη είναι µη-πτητική, αφού η πληροφορία διατηρείται στους δίσκους, τις δισκέτες, τα CD ROMs, τις ταινίες, ακόµη και όταν "κλείσουµε" το υπολογιστικό σύστηµα. Μη-πτητική µνήµη είναι και η ROM, καθώς και όλες οι παραλλαγές αυτής, όπως θα δούµε στην υποενότητα Η µνήµη, ανάλογα µε τον τρόπο προσπέλασης των δεδοµένων, χωρίζεται σε σειριακής και τυχαίας προσπέλασης. Η µνήµη σειριακής προσπέλασης (serial access or sequential access) δεν έχει σταθερό χρόνο προσπέλασης, αλλά αυτός ποικίλλει ανάλογα µε τη θέση στην οποία βρίσκoνται τα δεδοµένα. Για την ανάγνωση ή εγγραφή ενός δεδοµένου σε µια µνήµη σειριακής προσπέλασης, θα πρέπει να διατρέξουµε όλες τις προηγούµενες θέσεις µέχρι να φτάσουµε στην επιθυµητή θέση, όπου βρίσκεται ή πρέπει να βρίσκεται το δεδοµένο. Χαρακτηριστικό παράδειγµα µνήµης σειριακής προσπέλασης είναι η µαγνητική ταινία. Η µνήµη τυχαίας προσπέλασης (random access) έχει τον ίδιο περίπου χρόνο προσπέλασης, ανεξάρτητα από τη θέση στην οποία βρίσκονται αποθηκευµένα τα δεδοµένα. Χαρακτηριστικό παράδειγµα µνήµης τυχαίας προσπέλασης είναι οι ηµιαγωγικές µνήµες RAM και ROM, αλλά και ο σκληρός και εύκαµπτος δίσκος. Τέλος, ένας τελευταίος διαχωρισµός της µνήµης είναι σε µνήµη ανάγνωσης / εγγραφής και σε µνήµη µόνο ανάγνωσης. Μνήµη ανάγνωσης / εγγραφής (Read / Write Memory) είναι εκείνη στην οποία µπορούµε να εγγράψουµε ή να διαβάσουµε δεδοµένα µε την ίδια ευκολία, δηλαδή στον ίδιο περίπου χρόνο. Τέτοια µνήµη είναι η ηµιαγωγική RAM ή τα µαγνητικά µέσα. Μνήµη µόνο ανάγνωσης (Read-Only Memory) είναι εκείνη της οποίας τα δεδοµένα µπορούµε 2 Υπενθυµίζεται ότι 1 n = 10-9, 1 µ = 10-6, 1 m =

6 να τα διαβάσουµε µόνο, χωρίς να έχουµε τη δυνατότητα αλλαγής αυτών. Συνήθως τα δεδοµένα εγγράφονται µόνο µια φορά, και αυτό γίνεται από τον κατασκευαστή. Η ηµιαγωγική µνήµη ROM, καθώς και οι δίσκοι CD ROM είναι οι πλέον χαρακτηριστικές περιπτώσεις αυτού του είδους µνήµης. Στην ίδια κατηγορία, όµως, ανήκει και η µνήµη, την οποία µπορούµε να εγγράψουµε µία ή περισσότερες φορές και να την αναγνώσουµε θεωρητικά άπειρες φορές. Με άλλα λόγια, ο λόγος των εντολών ανάγνωσης προς τις εντολές εγγραφής είναι πάρα πολύ µεγάλος. Στην κατηγορία αυτή ανήκει η ηµιαγωγική µνήµη EPROM (Erasable Programmable ROM), η EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) ή η οπτική µνήµη WORM (Write Once Read Many), όπως είναι τα CD ROMs, µε δυνατότητα εγγραφής που χρησιµοποιούµε όλο και πιο συχνά σήµερα (1999). Η µνήµη ROM είναι µη-πτητική, δηλαδή διατηρεί τα δεδοµένα, ακόµη και όταν παύσει η τροφοδοσία. Στη συνέχεια θα ασχοληθούµε µε την ηµιαγωγική µνήµη. Θα αναφερθούµε αναλυτικά στη µνήµη ROM και RAM (ενότητα 7.1), καθώς και στον τρόπο διασύνδεσης αυτής για τη δηµιουργία χώρου αποθήκευσης µεγάλου εύρους ή µεγάλου µεγέθους (ενότητα 7.2). ΕΝΟΤΗΤΑ 7.1. ΕΙ Η ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ Στην παρούσα ενότητα θα ασχοληθούµε µε την ηµιαγωγική µνήµη τυχαίας προσπέλασης. Στην κατηγορία αυτή εµπίπτουν δύο είδη µνήµης, η ROM και η RAM. Θα εξετάσουµε και τα δύο αυτά είδη αναλυτικά. Ολοκληρώνοντας τη µελέτη της ενότητας, θα είστε σε θέση να επιλέγετε τον τύπο της µνήµης ROM ή RAM ανάλογα µε την εφαρµογή σας, την απαιτούµενη ταχύτητα λειτουργίας και την κατανάλωση ισχύος του ψηφιακού συστήµατος. Το σχηµατικό διάγραµµα µιας µνήµης ROM των 2 n λέξεων, µήκους b bits η κάθε λέξη, δίνεται στο Σχήµα 7.2α. Μια τέτοια µνήµη δέχεται στην είσοδό της την n bits διεύθυνση (address) A i, όπου i = 0, 1,..., n-1 και "ελευθερώνει στην έξοδό της τη µήκους b bits λέξη D j, j = 0, 1,..., b-1, η οποία είναι αποθηκευµένη στην αντίστοιχη διεύθυνση. Το σχηµατικό διάγραµµα µιας µνήµης RAM των 2 n λέξεων, µήκους b bits η κάθε λέξη, δείχνεται στο Σχήµα 7.2β. Αυτό είναι όµοιο µε το αντίστοιχο της µνήµης ROM, µε τη διαφορά ότι: (i) υπάρχουν ακόµα b γραµµές εισόδου για την εγγραφή των δεδοµένων 6

7 και (ii) υπάρχει µία επιπλέον γραµµή εισόδου για την επιλογή µεταξύ της εγγραφής ή της ανάγνωσης των δεδοµένων. ιευκρινίζεται ότι: 1. Τόσο η µνήµη ROM, όσο και η µνήµη RAM είναι τυχαίας προσπέλασης. Για το λόγο αυτό, το σωστό θα ήταν να αποκαλείται η µνήµη RAM ως µνήµη εγγραφής / ανάγνωσης ( memory) και όχι ως µνήµη τυχαίας προσπέλασης. 2 n b ROM Είσοδος ιευθύνσεων n A i D j b Έξοδος εδοµένων Είσοδος ιευθύνσεων Είσοδος εδοµένων n b A i Dj Dj b Έξοδος εδοµένων Είσοδος Ελέγχου (α) Ανάγν./Εγγρ. (β) Σχήµα 7.2. Σχηµατικό διάγραµµα µνήµης (α) ROM και (β) RAM των 2 n xb bits η καθεµιά. 2. Το πλήθος n των bits της λέξης A i και το πλήθος b των bits της λέξης δεδοµένων D j δεν έχουν οποιαδήποτε σχέση µεταξύ τους. Το πρώτο µας καθορίζει το µέγιστο αριθµό των λέξεων που µπορούµε να έχουµε σε µια µνήµη, δηλαδή το µέγιστο αριθµό των δυνατών συνδυασµών. Το δεύτερο καθορίζει απλά το µήκος των λέξεων, που χρησιµοποιείται σε κάποια εφαρµογή. Για παράδειγµα, για τη µετατροπή ενός αριθµού BCD (Binary Coded Decimal) σε αριθµό κατάλληλο για την οδήγηση ενός στοιχείου επίδειξης των επτά τµηµάτων (seven-segment display), θα πρέπει να χρησιµοποιήσουµε µια µνήµη µε 4 εισόδους διευθύνσεων και 7 εξόδους δεδοµένων. Γενικά, η µνήµη έχει τη λογική διάταξη του Σχήµατος 7.3. ιεύθυνση Μνήµης Περιεχόµενο µνήµης 0 0 L 0 0 L L L n 2 M M 1 1 L 1 1 L 0 1 L L n bits b bits Σχήµα 7.3. Λογική διάταξη µνήµης των 2 n λέξεων των b bits. 7

8 Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 1 / Κεφάλαιο 7 Το ολοκληρωµένο κύκλωµα µε κωδικό 2716 είναι µια 2Κx8 EPROM, ενώ το ολοκληρωµένο κύκλωµα µε κωδικό 2114 είναι µια 1Kx4 RAM. Πόσες γραµµές διευθύνσεων και δεδοµένων διαθέτει καθένα από αυτά; ώστε το σχηµατικό τους διάγραµµα ΜΝΗΜΗ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ ΜΟΝΟ (ROM) Η µνήµη ROM είναι στην πράξη ένα συνδυαστικό κύκλωµα µε n εισόδους και b εξόδους, όπου οι είσοδοι Α 0, Α 1,..., Α n-1 αποτελούν τις διευθύνσεις και οι έξοδοι D 0, D 1,..., D b-1 τα δεδοµένα. Με άλλα λόγια, µια ROM αποθηκεύει τον πίνακα αλήθειας µιας συνδυαστικής λογικής συνάρτησης µε n εισόδους και b εξόδους. Στο βιβλίο της Ψηφιακής Σχεδίασης Ι, αντιµετωπίσαµε ακριβώς έτσι τη ROM, δηλαδή ως συνδυαστικό κύκλωµα, το οποίο υλοποιεί το άθροισµα των ελαχιστόρων (minterms) των n εισόδων του, για να σχεδιάσουµε σύνθετα συνδυαστικά κυκλώµατα. Εδώ θα αντιµετωπίσουµε τη ROM ως µνήµη, την οποία έχουµε τη δυνατότητα να προγραµµατίσουµε καταργώντας ή διατηρώντας τους ηλεκτρονικούς συνδέσµους σε µια µήτρα διασυνδέσεων. Η διαδικασία προγραµµατισµού αυτού του είδους γίνεται από τον κατασκευαστή µε τη βοήθεια µια µάσκας (mask), µετά από παραγγελία του πελάτη, ο οποίος δίνει τα επιθυµητά περιεχόµενα για κάθε θέση µνήµης. Αυτός είναι και ο λόγος, για τον οποίο η ROM ονοµάζεται και ROM προγραµµατιζόµενη µε µάσκα (mask-programmable ROM) ή απλά ROM µάσκας (mask ROM). Η προγραµµατιζόµενη ROM (PROM, programmable ROM) είναι όµοια µε την ROM µάσκας, µόνο που ο προγραµµατισµός µπορεί να γίνει από τον ίδιο τον πελάτη µέσα σε λίγα λεπτά της ώρας, µε τη βοήθεια µιας συσκευής προγραµµατισµού PROM (PROM programmer). Ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα PROM έρχεται έτοιµο από το εργοστάσιο µε όλες τις ηλεκτρονικές του διασυνδέσεις άθικτες. Είναι, δηλαδή, σαν να έχουµε όλα τα bits σε µια προκαθορισµένη λογική στάθµη, π.χ. στο λογικό 1. Η συσκευή προγραµµατισµού χρησιµοποιείται, για να καταργήσει εκείνους τους συνδέσµους, όπου πρέπει να "εγγραφεί" το λογικό 0. Αυτό γίνεται µε επιλογή των συγκεκριµένων bits µέσω των γραµµών διευθύνσεων και την εφαρµογή ενός παλµού υψηλής τάσεως (10-30 V) µέσω µιας ειδικής εισόδου. 8

9 Μια PROM µε δυνατότητα διαγραφής (Erasable Programmable ROM, EPROM) µπορεί να προγραµµατιστεί όπως και η PROM, αλλά επιπλέον µπορεί να "σβηστεί", αποκαθιστώντας το λογικό 1 σε όλους τους συνδέσµους, µετά από έκθεση αυτής σε υπεριώδες φως. Για να γίνει αυτό, χρησιµοποιούνται για τους συνδέσµους ειδικού τύπου τρανσίστορς MOS (metal-oxide-semiconductor), τα οποία διαθέτουν δύο πύλες, µία σταθερή και µία επιπλέουσα (floating-gate). Ο χρόνος έκθεσης µιας ΕPROM σε υπεριώδες φως κυµαίνεται µεταξύ 5 και 20 λεπτών της ώρας. Για να είναι δυνατή η έκθεση του ολοκληρωµένου στο φως, αφήνεται ένα µικρό παράθυρο στο πάνω µέρος του, όπως δείχνεται στο Σχήµα 7.4. Σχήµα 7.4. ΕPROM στην οποία φαίνεται το παράθυρο για την έκθεση της µνήµης στο υπεριώδες φως. Μια PROM µε δυνατότητα ηλεκτρικής διαγραφής (Electrically Erasable PROM, EEPROM) είναι όµοια µε την ΕPROM, µε µόνη διαφορά ότι η διαγραφή των περιεχοµένων γίνεται ηλεκτρικά, και όχι µε φως. Ο χρόνος προγραµµατισµού ή εγγραφής των δεδοµένων είναι πολύ µεγαλύτερος από το χρόνο ανάγνωσης αυτών, έτσι δεν µπορούµε να πούµε ότι µια µνήµη ΕΕPROM είναι στην ουσία µια µνήµη ανάγνωσης / εγγραφής, όπως η RAM, που θα δούµε στην επόµενη υποενότητα. Επίσης, επειδή το µονωτικό στρώµα γύρω από την επιπλέουσα πύλη του τρανσίστορ MOS είναι πολύ λεπτό, µπορεί να καταστραφεί από το συνεχή προγραµµατισµό της µνήµης. Κατά συνέπεια, µια ΕΕPROM µπορεί να "σβηστεί" και να "ξαναγραφεί", δηλαδή να προγραµµατιστεί, περίπου φορές. Στον Πίνακα 7.1. δίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά όλων των τύπων µνήµης ROM που αναφέραµε. ραστηριότητα 1 / Κεφάλαιο 7 Ποιες εφαρµογές της µνήµης ROM (ROM / PROM / EPROM / EEPROM) γνωρίζετε; Συµπερασµατικά µπορούµε να πούµε ότι η ROM είναι τυχαίας προσπέλασης µηπτητική µνήµη, η οποία χρησιµοποιείται για την αποθήκευση δεδοµένων σε µόνιµη 9

10 βάση. Το γεγονός αυτό την κάνει χρήσιµη για την αποθήκευση του βασικού πυρήνα λειτουργικών συστηµάτων, µεταφραστών προγραµµάτων (software language compilers), πινάκων αναφοράς (look-up tables), εξειδικευµένων τµηµάτων µετατροπής κωδίκων, προγραµµάτων µικροεπεξεργαστών για ειδικές εφαρµογές, κά. Πίνακας 7.1. Βασικά χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων µνήµης ROM. Τύπος Τεχνολογία Χρόνος Χρόνος Εγγραφής Σχόλια Ανάγνωσης ROM µάσκας NMOS, CMOS ns 4 εβδοµάδες Εγγραφή µόνο µία φορά Χαµηλή κατανάλωση ROM µάσκας ιπολική <100ns 4 εβδοµάδες Εγγραφή µόνο µία φορά Υψηλή κατανάλωση Μικρή πυκνότητα ολοκλήρωσης PROM ιπολική <100ns 5 λεπτά Εγγραφή µόνο µία φορά Υψηλή κατανάλωση Μικρή πυκνότητα ολοκλήρωσης EPROM NMOS, CMOS ns 5 λεπτά Επανεγγράψιµη - Χαµηλή κατανάλωση EEPROM NMOS ns 10µs/byte Ανώτατο όριο εγγραφών ανά θέση µνήµης ΜΝΗΜΗ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΓΓΡΑΦΗΣ (RAM) Η µνήµη ανάγνωσης και εγγραφής είναι εκείνη στην οποία µπορούµε να αποθηκεύουµε και να ανακαλούµε την πληροφορία σε οποιαδήποτε χρονική στιγµή. Η συντριπτική πλειοψηφία των µνηµών ανάγνωσης / εγγραφής στις µέρες µας είναι τυχαίας προσπέλασης (RAM), γεγονός που σηµαίνει ότι ο χρόνος που απαιτείται για την ανάγνωση ή την εγγραφή ενός bit πληροφορίας είναι ανεξάρτητος της θέσης στην οποία βρίσκεται αυτό. Από την άποψη αυτή, όπως άλλωστε έχουµε αναφέρει, οι µνήµες ROM είναι κι αυτές µνήµες ανάγνωσης / εγγραφής. Έχει όµως καθιερωθεί η χρήση ο όρος "µνήµη ανάγνωσης / εγγραφής" να ταυτίζεται µε τη µνήµη RAM. Υπάρχουν δύο µεγάλες κατηγορίες RAM, η στατική και η δυναµική. Η στατική RAM (static RAM, SRAM) είναι εκείνη στην οποία, όταν εγγραφεί µια λέξη, αυτή διατηρείται, εφόσον εξακολουθεί να εφαρµόζεται η τάση τροφοδοσίας του ολοκληρωµένου 10

11 κυκλώµατος, και φυσικά, εφόσον δεν εγγραφεί κάποια άλλη πληροφορία στην ίδια θέση µνήµης. Σε µια δυναµική RAM (dynamic RAM, DRAM), τα δεδοµένα που αποθηκεύονται σε κάθε θέση µνήµης πρέπει περιοδικά να ανανεώνονται, διαβάζοντας αυτά και εγγράφοντάς τα ξανά στις ίδιες θέσεις µνήµης. Σε διαφορετική περίπτωση αυτά χάνονται. Οι περισσότερες µνήµες RAM χάνουν τα δεδοµένα, όταν παύσει η τροφοδοσία του ολοκληρωµένου. Πρόκειται, δηλαδή, για πρόσκαιρη µνήµη. Ορισµένες RAM µπορούν να γίνουν µη-πρόσκαιρες µε έµµεσο τρόπο. Για παράδειγµα, σύγχρονες στατικές CMOS µνήµες περιλαµβάνουν µέσα στο περιτύλιγµά τους µια µικρή µπαταρία λιθίου µε χρόνο ζωής της τάξεως των 10 χρόνων. Ένας άλλος τύπος µη-πρόσκαιρης µνήµης RAM είναι η ονοµαζόµενη σιδηροηλεκτρική RAM (ferroelectric RAM). Αυτή συνδυάζει µαγνητικά και ηλεκτρονικά στοιχεία πάνω στο ίδιο ολοκληρωµένο κύκλωµα, επιτρέποντας τη διατήρηση της πληροφορίας, ακόµη και όταν η τάση τροφοδοσίας παύσει να εφαρµόζεται. Στατική RAM Είδαµε στο Σχήµα 7.2β ότι µια µνήµη RAM των 2 n x b λέξεων αποτελείται από n εισόδους διευθύνσεων, b εισόδους δεδοµένων (για την εγγραφή), b εξόδους δεδοµένων (για την ανάγνωση) και τουλάχιστον µία είσοδο για τον έλεγχο της ανάγνωσης ή εγγραφής. Το απλούστερο στοιχείο µνήµης θα είναι εκείνο, όπου µπορούµε να αποθηκεύσουµε ένα και µόνο bit πληροφορίας. Αυτό θα αποτελείται από 1 γραµµή εισόδου (εγγραφής) του δεδοµένου, 1 γραµµή εξόδου (ανάγνωσης) του δεδοµένου, 1 γραµµή εισόδου της διεύθυνσης (για την επιλογή ή µη του συγκεκριµένου στοιχείου µνήµης) και τέλος 1 γραµµή ελέγχου ανάγνωσης ή εγγραφής. Με άλλα λόγια, το σχηµατικό διάγραµµα της RAM του Σχήµατος 7.2β εκφυλίζεται σε αυτό του Σχήµατος 7.5α για την περίπτωση της µνήµης του 1 bit. Αυτό αποτελεί το λεγόµενο βασικό κύτταρο µνήµης (basic memory cell). Ένα λογικό διάγραµµα, το οποίο υλοποιεί τη λειτουργία του βασικού κυττάρου µνήµης, δείχνεται στο Σχήµα 7.5β. 11

12 Επιλογή Επιλογή Είσοδος Έξοδος Είσοδος R S Q Έξοδος Ανάγνωση/Εγγραφή (α) Ανάγνωση/ Εγγραφή Σχήµα 7.5. (α) Σύµβολο και (β) λογικό διάγραµµα του βασικού κυττάρου µνήµης. (β) Το FF λειτουργεί ως µανταλωτής χωρίς ρολόι. Όταν η επιλογή είναι στο λογικό 1, τότε οι πύλες AND τόσο της εισόδου, όσο και της εξόδου επιτρέπουν τη διέλευση των δεδοµένων. Όταν τώρα η είσοδος ανάγνωσης / εγγραφής είναι στο λογικό 0, τότε η πύλη AND της εξόδου απενεργοποιείται, ενώ οι δύο πύλες AND της εισόδου ενεργοποιούνται. Άρα, για την είσοδο επιλογής στο λογικό 1 και την είσοδο ανάγνωσης / εγγραφής στο λογικό 0, το δεδοµένο της εισόδου εγγράφεται στο FF. Με άλλα λόγια, αν η είσοδος είναι 1, τότε S=1, R=0 και το FF ενεργοποιείται (Q=1), δηλαδή εγγράφεται σ' αυτό το λογικό 1. Αν η είσοδος είναι 0, τότε S=0, R=1 και το FF εκκαθαρίζεται (Q=0), δηλαδή εγγράφεται σ' αυτό το λογικό 0. Όταν η είσοδος ανάγνωσης / εγγραφής γίνει 1, τότε και οι δύο πύλες AND της εισόδου γίνονται 0, οπότε το FF παραµένει στην κατάσταση που βρισκόταν. Η πύλη AND της εξόδου ενεργοποιείται, οπότε και µας επιτρέπεται η ανάγνωση του δεδοµένου της µνήµης, δηλαδή αν Q=1, τότε η έξοδος της πύλης AND είναι κι αυτή 1, ενώ, αν Q=0, τότε η έξοδος είναι 0. Σηµειώνεται ότι η ανάγνωση µιας RAM δεν συνεπάγεται απώλεια των δεδοµένων αυτής. Από το Σχήµα 7.5β συνάγεται ότι το αντίστοιχο κύκλωµα σε επίπεδο τρανσίστορ θα αποτελείται από µερικές δεκάδες τρανσίστορ, αφού µια πύλη NAND τεχνολογίας TTL (transistor-transistor logic) κατασκευάζεται από 4 τρανσίστορς. Αυτό όµως δεν είναι αληθές, µια που το κύκλωµα του Σχήµατος 7.5β είναι στην ουσία ένα ισοδύναµο κύκλωµα, το οποίο λειτουργεί, όπως εµείς θα θέλαµε να λειτουργεί ένα βασικό κύτταρο µνήµης RAM. Η κατασκευή, λοιπόν, του βασικού κυττάρου στατικής µνήµης µπορεί να γίνει είτε µε 2 διπολικά τρανσίστορς πολλαπλού εκποµπού είτε µε 4 MOS τρανσίστορς (Σχήµα 7.6) 12

13 Σχήµα 7.6. Το βασικό κύτταρο στατικής µνήµης του 1 bit κατασκευασµένο (α) µε διπολικά και (β) µε MOS τρανσίστορς. Οι στατικές µνήµες, που είναι κατασκευασµένες µε διπολικά τρανσίστορς, έχουν µικρή δυνατότητα αποθήκευσης (µερικά Kbytes), αλλά όµως έχουν πολύ µικρό χρόνο προσπέλασης, µικρότερο από 3ns. Οι αντίστοιχες στατικές µνήµες, που είναι κατασκευασµένες µε CMOS (Complementary MOS) τρανσίστορς, έχουν πολύ µεγαλύτερες δυνατότητες αποθήκευσης (της τάξεως του Mbyte) και χρόνο προσπέλασης 15ns στην καλύτερη των περιπτώσεων. Με βάση τα στοιχεία αυτά, µπορούµε πλέον να εξηγήσουµε τη χρησιµότητα της κρυφής µνήµης (cache memory), που είδαµε στο Σχήµα 7.1. Πρόκειται για στατική RAM κατασκευασµένη µε διπολικά τρανσίστορς, και άρα µικρής δυνατότητας αποθήκευσης και πολύ γρήγορη. Βρίσκεται συνήθως µαζί µε την CPU, για να αποθηκεύει τις εντολές και τα δεδοµένα που χρησιµοποιούνται πιο συχνά. υναµική RAM Είδαµε ότι για την κατασκευή ενός κυττάρου στατικής µνήµης απαιτούνται 4 τρανσίστορς MOS. Για να αυξηθεί η πυκνότητα της µνήµης, δηλαδή τα bits ανά ολοκληρωµένο, έχουµε καταφέρει να σχεδιάσουµε κύτταρα µνήµης, τα οποία χρησιµοποιούν µόνο 1 τρανσίστορ ανά bit. Είναι όµως αδύνατο να κατασκευαστεί ένα δισταθές (bistable) στοιχείο µε ένα µόνο τρανσίστορ. Αυτό που γίνεται στην πράξη είναι ότι η πληροφορία αποθηκεύεται σ' ένα µικρό πυκνωτή. Η πρόσβαση στην πληροφορία, που είναι αποθηκευµένη στον πυκνωτή, γίνεται µέσω ενός MOS τρανσίστορ (Σχήµα 7.7). 13

14 γραµµή λέξης γραµµή bit κύτταρο 1bit DRAM Σχήµα 7.7. Κύτταρο 1-bit δυναµικής RAM. Για να διατηρείται η πληροφορία του 1- bit σε κάθε πυκνωτή, χρειάζεται να γίνεται ανανέωση αυτής σε τακτά χρονικά διαστήµατα. Η µνήµη αυτού του είδους ονοµάζεται δυναµική (dynamic). Πράγµατι, κάθε κύτταρο δυναµικής RAM χρειάζεται ανανέωση (refreshing) της πληροφορίας κάθε 4 ms. Η διαδικασία της ανανέωσης γίνεται από ειδικό κύκλωµα, το οποίο βρίσκεται στο ίδιο το ολοκληρωµένο της µνήµης. Είναι προφανές, εποµένως, ότι η δυναµική RAM απαιτεί περισσότερα εξωτερικά κυκλώµατα και είναι πιο δύσχρηστη από τη στατική RAM. Από την άλλη πλευρά όµως, το κόστος ανά bit είναι πολύ µικρότερο και η πυκνότητα πολύ µεγαλύτερη, οδηγώντας σε ολοκληρωµένα κυκλώµατα µε µικρότερες διαστάσεις. Επίσης, η κατανάλωση της δυναµικής RAM είναι πολύ µικρότερη της αντίστοιχης στατικής RAM. Ένα σύγχρονο ολοκληρωµένο κύκλωµα δυναµικής RAM έχει δυνατότητα αποθήκευσης πληροφορίας µεγαλύτερη από 16 Mbits. Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 2 / Κεφάλαιο 7 Ποια τα µειονεκτήµατα και πλεονεκτήµατα µιας δυναµικής RAM (DRAM) έναντι µιας στατικής RAM (SRAM); Τι είδους RAM θα περιµένατε να δείτε σε µια ηλεκτρονική συσκευή, η οποία λειτουργεί µε µπαταρίες; Σύνοψη Ενότητας Στην ενότητα αυτή αναφερθήκαµε στις ηµιαγωγικές µνήµες ROM και RAM. Γνωρίσαµε όλες τις παραλλαγές της µνήµης ROM (ROM µάσκας, PROM, EPROM, EEPROM), καθώς και τις δύο µεγάλες κατηγορίες µνήµης RAM, τη στατική και τη δυναµική. Η στατική µνήµη είναι πιο γρήγορη και δεν χρειάζεται επιπλέον κυκλώµατα 14

15 για την ανανέωση της πληροφορίας, που είναι αποθηκευµένη σ' αυτή. Η δυναµική µνήµη έχει µεγαλύτερο χρόνο προσπέλασης, χρειάζεται ανανέωση της πληροφορίας, επειδή αυτή αποθηκεύεται ως ηλεκτρικό φορτίο στα άκρα πυκνωτή, αλλά έχει το πλεονέκτηµα της µεγάλης πυκνότητας και της χαµηλής κατανάλωσης. Η κύρια µνήµη των σύγχρονων υπολογιστικών συστηµάτων είναι στη συντριπτική της πλειοψηφία δυναµική RAM (DRAM). ΕΝΟΤΗΤΑ 7.2. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΜΝΗΜΗΣ Στην προηγούµενη ενότητα είδαµε το βασικό κύτταρο µνήµης του 1-bit. Εδώ θα ασχοληθούµε µε τη λογική οργάνωση µιας µνήµης, δηλαδή µε τη λογική διάταξη των κυττάρων µνήµης, ώστε να πάρουµε µια µνήµη 2 n λέξεων, των b bits η καθεµιά. Στη συνέχεια θα δούµε πώς από µία RAM 2 n xb µπορούµε να έχουµε µια µνήµη µεγαλύτερου µήκους λέξης, π.χ. 2 n xmb, ή µεγαλύτερου µεγέθους 2 n+k xb. Μετά τη µελέτη της ενότητας αυτής, θα είστε σε θέση να διασυνδέετε ολοκληρωµένα κυκλώµατα µνήµης RAM ή ROM έτσι ώστε να πετυχαίνετε την επέκταση αυτής κατά πλάτος (επέκταση µήκους λέξης) και/ή κατά µήκος (επέκταση της αποθηκευτικής ικανότητας). Η λογική οργάνωση και το σχηµατικό διάγραµµα µιας RAM των 2 2 λέξεων, µήκους 3 bits η καθεµιά, δίνεται στο Σχήµα 7.8. Είσοδοι εδοµένων D2 D1 D0 Λέξη 0 Α0 Είσοδοι ιεύθυνσης Α1 Αποκωδικοποιητής 2-σε-4 Λέξη 1 Λέξη 2 Λέξη 3 Επίτρεψη µνήµης Ανάγνωση/Έγγραφή (α) D2 D1 D0 Έξοδοι εδοµένων 15

16 Είσοδοι ιεύθυνσης Είσοδοι εδοµένων RAM Έξοδοι εδοµένων Επιλογή R /W (β) Σχήµα 7.8. (α) Λογική οργάνωση και (β) σχηµατικό διάγραµµα µιας 2 2 x3 RAM. Η µνήµη αυτή, η οποία σχεδιάστηκε για καθαρά εκπαιδευτικούς λόγους, αποτελείται από 12 βασικά κύτταρα µνήµης, όπως εκείνο του Σχήµατος 7.5α. Αυτά είναι οργανωµένα ως 4 λέξεις των 3 bits η καθεµιά. Η επιλογή καθεµιάς από τις 4 αυτές λέξεις γίνεται µε τη βοήθεια ενός αποκωδικοποιητή 2-σε-4. Με άλλα λόγια, 2 γραµµές διευθύνσεων είναι αρκετές. Για κάθε δυνατό συνδυασµό της διεύθυνσης, επιλέγεται η αντίστοιχη λέξη (δηλαδή και τα 3 bits µιας σειράς) και είµαστε έτοιµοι να διαβάσουµε ή να αποθηκεύσουµε την 3 bit πληροφορία, ανάλογα µε τη λογική στάθµη της εισόδου ανάγνωσης / εγγραφής (1 ή 0 αντίστοιχα). Κάθε τετράδα εξόδων των βασικών κυττάρων µνήµης της ίδιας σηµαντικότητας οδηγείται σε µια πύλη OR. Οι έξοδοι των πυλών OR αποτελούν και τις εξόδους της RAM. Παρόµοια, οι 3 είσοδοι της RAM οδηγούνται σε καθένα από τα βασικά κύτταρα µνήµης της ίδιας σηµαντικότητας (ίδιας στήλης). Κατά την εγγραφή, µόνο η λέξη, η οποία έχει επιλεγεί, θα ενεργοποιηθεί, ώστε να δεχθεί τα δεδοµένα εισόδου. Παρατηρήστε, τέλος, την είσοδο ελέγχου "επιλογή µνήµης". Όταν αυτή βρίσκεται στο λογικό 0, τότε απενεργοποιείται η λειτουργία του αποκωδικοποιητή και δεν επιλέγεται οποιαδήποτε από τις λέξεις της µνήµης. Τα περιεχόµενα των βασικών κυττάρων παραµένουν αµετάβλητα, ανεξάρτητα από τη λογική στάθµη της εισόδου ανάγνωσης / εγγραφής ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΛΕΞΗΣ ΜΙΑΣ ΜΝΗΜΗΣ Είδαµε στην προηγούµενη παράγραφο τη λογική οργάνωση και το σχηµατικό διάγραµµα µιας 2 2 x3 RAM. Έστω ότι διαθέτουµε τέτοια ολοκληρωµένα κυκλώµατα των 2 2 x3 λέξεων. Πώς θα πρέπει αυτά να διασυνδεθούν, ώστε να δηµιουργήσουµε µια 2 2 x6 RAM; Είναι εύκολο να απαντήσει κανείς στο ερώτηµα αυτό, αφού είναι φανερό ότι η παράλληλη διασύνδεση δύο ολοκληρωµένων 2 2 x3 δηµιουργεί µια νέα µνήµη διπλάσιου µήκους λέξης (Σχήµα 7.9). Οι είσοδοι των διευθύνσεων, καθώς και οι είσοδοι ελέγχου είναι κοινές και για τα δύο ολοκληρωµένα. Οι είσοδοι ελέγχου είναι τουλάχιστον δύο σε κάθε ολοκληρωµένο 16

17 µνήµης RAM. Η µία είναι η είσοδος ανάγνωσης / εγγραφής (, Read/Write) και η άλλη είναι η είσοδος επιλογής ολοκληρωµένου (, chip select). Η τελευταία χρησιµοποιείται για την ενεργοποίηση του επιθυµητού ολοκληρωµένου κάθε φορά και είναι ουσιαστικά η επιλογή µνήµης που είδαµε στην αµέσως προηγούµενη παράγραφο. Οι είσοδοι και έξοδοι των δεδοµένων, όπως είναι φυσικό, δεν είναι κοινές για τα δύο ολοκληρωµένα του Σχήµατος 7.9. Οι 3 από αυτές χρησιµοποιούνται για την ανάγνωση και εγγραφή του περισσότερο σηµαντικού τµήµατος της λέξης (most significant, MS), ενώ οι άλλες 3 για το λιγότερο σηµαντικό τµήµα αυτής (least significant, LS). Στο αριστερό ολοκληρωµένο του Σχήµατος 7.9 αποθηκεύεται το περισσότερο σηµαντικό τµήµα της λέξης, ενώ στο δεξιό ολοκληρωµένο αποθηκεύεται το λιγότερο σηµαντικό τµήµα αυτής. Στη γενική περίπτωση που διαθέτουµε ολοκληρωµένα µνήµης 2 n xb και θέλουµε να κατασκευάσουµε µια µνήµη µήκους λέξης mb, δηλαδή µια µνήµη 2 n xmb, θα χρειαστεί να διασυνδέσουµε παράλληλα m τέτοια ολοκληρωµένα.\ Είσοδοι εδοµένων MS LS 3 3 Είσοδοι ιεύθυνσης RAM RAM Ανάγνωση/ Εγγραφή 3 3 MS LS Έξοδοι εδοµένων Σχήµα 7.9. Παράλληλη διασύνδεση δύο ολοκληρωµένων µνήµης για το διπλασιασµό του µήκους λέξης. Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 3 / Κεφάλαιο 7 ιατίθενται ολοκληρωµένα κυκλώµατα RAM µε κωδικό Πόσα τέτοια ολοκληρωµένα απαιτούνται για µια 1Κ x 16 RAM; ώστε τον τρόπο διασύνδεσής τους. 17

18 ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΜΙΑΣ ΜΝΗΜΗΣ Το επόµενο σηµείο που θα πρέπει να εξετάσουµε είναι αυτό της επέκτασης της αποθηκευτικής ικανότητας µιας µνήµης, όταν το µήκος λέξης διατηρείται σταθερό. Ας υποθέσουµε, για παράδειγµα, ότι διαθέτουµε ολοκληρωµένα µνήµης RAM των 2 2 x3 λέξεων. Πόσα από αυτά θα χρειαστούµε και πώς θα πρέπει να τα διασυνδέσουµε, ώστε να πάρουµε µια µνήµη µε δυνατότητα αποθήκευσης 16 λέξεων των 3 bits η καθεµιά; Χρειάζεται, δηλαδή, να δηµιουργήσουµε µια 2 4 x3 RAM. Αν είχαµε µόνο τα βασικά κύτταρα µνήµης, τότε ένας αποκωδικοποιητής 4-σε-16 θα ήταν αυτό που χρειαζόµαστε. Τώρα, αφού ήδη διαθέτουµε µνήµες 2 2 x3, θα χρειαστούµε 4 από αυτές (2 4 x3 = x 3 = 42 2 x3), για να δηµιουργήσουµε τη ζητούµενη µνήµη. Για την επιλογή καθενός από τα τέσσερα ολοκληρωµένα µνήµης, θα χρειαστεί ένας αποκωδικοποιητής 2-σε-4, όπως δείχνεται στο γενικό διάγραµµα του Σχήµατος 7.10α. Είσοδοι ιευθύνσεων A3 A2 A 1, A 0 Είσοδοι εδοµένων Αποκωδικοποίηση 2-σε RAM Αποκωδικοποίηση 2-σε RAM Θέσεις µνήµης 0-3 (α ) RAM RAM RAM Ανάγνωση/Εγγραφή RAM RAM RAM Σχήµα (α) Γενικό και (β) αναλυτικό διάγραµµα επέκτασης του µεγέθους µνήµης (β) 3 Έξοδοι εδοµένων Με κάθε επιπλέον bit της διεύθυνσης διπλασιάζεται η δυνατότητα αποθήκευσης µιας µνήµης. Για να τετραπλασιαστεί το µέγεθός της, χρειαζόµαστε δύο επιπλέον bits στη λέξη διευθύνσεων. Έτσι, αν για την 2 2 x3 RAM χρησιµοποιούµε τα bits διευθύνσεων Α 0, 18

19 Α 1, τότε για την 2 4 x3 RAM θα χρειαστούµε επιπλέον και τα bits Α 2, Α 3. Το αναλυτικό διάγραµµα για την περίπτωση της επέκτασης µνήµης, που εξετάζουµε, δείχνεται στο Σχήµα 7.10β. Παρατηρούµε ότι τόσο οι είσοδοι δεδοµένων, όσο και οι έξοδοι δεδοµένων είναι κοινές. Επίσης κοινή για όλα τα ολοκληρωµένα είναι η είσοδος ανάγνωσης / εγγραφής, καθώς και οι δύο λιγότερο σηµαντικές διευθύνσεις Α 1, Α 0. Με τη βοήθεια των δύο αυτών εισόδων διευθύνσεων, επιλέγουµε ποια από τις τέσσερεις θέσεις µνήµης κάθε ολοκληρωµένου θέλουµε να προσπελάσουµε, ενώ µε τη βοήθεια των περισσότερο σηµαντικών διευθύνσεων Α 3, Α 2 και του αποκωδικοποιητή επιλέγουµε το συγκεκριµένο ολοκληρωµένο που θέλουµε να προσπελάσουµε. Έτσι, για τη διεύθυνση Α 3 Α 2 Α 1 Α 0 = (0110) 2 = (6) 10 θα επιλεγεί η προσπέλαση στην τρίτη θέση (Α 1 Α 0 =10) του δεύτερου ολοκληρωµένου (Α 3 Α 2 =01). Γενικά, για να δηµιουργήσουµε µια µνήµη 2 n+k xb λέξεων, όταν διαθέτουµε ολοκληρωµένα των 2 n xb λέξεων, θα χρειαστούµε 2 k ολοκληρωµένα και έναν αποκωδικοποιητή k εισόδων και 2 k εξόδων (k-σε-2 k αποκωδικοποιητή). Γενικές Παρατηρήσεις Τα όσα αναφέρθηκαν για την επέκταση του µήκους ή του µεγέθους της RAM ισχύουν και για την περίπτωση της επέκτασης της ROM. Η µόνη διαφορά στα διαγράµµατα των Σχηµάτων 7.9 και 7.10 είναι ότι η ROM δεν διαθέτει είσοδο ελέγχου ανάγνωσης / εγγραφής. Οι στατικές RAM συνηθίζεται να έχουν διαύλους διακίνησης δεδοµένων (data buses) διπλής κατεύθυνσης. Με άλλα λόγια, οι ίδιοι ακροδέκτες (pins) του ολοκληρωµένου χρησιµοποιούνται τόσο για την είσοδο (εγγραφή), όσο και για την έξοδο (ανάγνωση) των δεδοµένων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η ελάττωση των διαστάσεων του ολοκληρωµένου και κατ' επέκταση των ψηφιακών συστηµάτων που σχεδιάζονται µε βάση αυτά. Σε πολλές περιπτώσεις ο έλεγχος για την ανάγνωση ή την εγγραφή µιας RAM γίνεται µε δύο ξεχωριστές εισόδους, την είσοδο για ανάγνωση και την είσοδο για εγγραφή, και όχι µε µία είσοδο, όπως είδαµε µέχρι τώρα. Στις µνήµες µεγάλης αποθηκευτικής ικανότητας, οι ακροδέκτες για την είσοδο των διευθύνσεων είναι οι µισοί από το πραγµατικό πλήθος των διευθύνσεων. Έτσι, η κάθε διεύθυνση σχηµατίζεται σε δύο ξεχωριστά βήµατα. Κατά το πρώτο δίνεται το ένα τµήµα της διεύθυνσης και κατά το δεύτερο βήµα δίνεται το άλλο τµήµα αυτής. 19

20 Αυτού του είδους η πολύπλεξη των διευθύνσεων συντελεί στην ελάττωση των ακροδεκτών του ολοκληρωµένου και κατά συνέπεια στη δραστική µείωση του χώρου που αυτό καταλαµβάνει. Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 4 / Κεφάλαιο 7 ιατίθενται ολοκληρωµένα κυκλώµατα RAM µε κωδικό Πόσα τέτοια ολοκληρωµένα απαιτούνται για τη δηµιουργία µιας 2Κx4 RAM; ώστε τον τρόπο διασύνδεσής τους. Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 5 / Κεφάλαιο 7 ιατίθενται ολοκληρωµένα κυκλώµατα EPROM µε κωδικό Πόσα τέτοια ολοκληρωµένα θα χρειαστείτε, για να δηµιουργήσετε µια 4Κx16 µνήµη; ώστε το σχηµατικό διάγραµµα της µνήµης αυτής. Σύνοψη Ενότητας Στην ενότητα αυτή µελετήσαµε τη λογική οργάνωση µιας µνήµης RAM και τον τρόπο επέκτασης αυτής τόσο κατά πλάτος (επέκταση µήκους λέξης), όσο και κατά µήκος (επέκταση µεγέθους). Ως 2 n xb RAM αναφέρεται µια µνήµη, η οποία αποτελείται από 2 n λέξεις των b bits η καθεµιά. Για την επέκταση του µήκους λέξης αυτής σε mb bits, δηλαδή για τη δηµιουργία µιας 2 n xmb µνήµης, απαιτούνται m ολοκληρωµένα, τα οποία διασυνδέονται παράλληλα. Αυτό σηµαίνει ότι οι είσοδοι διευθύνσεων, επιλογής ολοκληρωµένου και ανάγνωσης / εγγραφής είναι κοινές. Για την επέκταση του µεγέθους αυτής σε 2 n+k θέσεις, δηλαδή για τη δηµιουργία µιας 2 n+k xb µνήµης, απαιτούνται 2 k ολοκληρωµένα και ένας αποκωδικοποιητής k γραµµών σε 2 k γραµµές. Στην περίπτωση αυτή όλες οι είσοδοι και έξοδοι είναι κοινές, εκτός της εισόδου επιλογής ολοκληρωµένου, η οποία τροφοδοτείται από τις εξόδους του αποκωδικοποιητή. ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο Κεφάλαιο αυτό έγινε αναφορά σε όλα τα είδη µνήµης και τις έννοιες που συνδέονται µ' αυτές. Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στις ηµιαγωγικές µνήµες ROM και RAM. 20

21 Και τα δύο αυτά είδη ανήκουν στην κατηγορία της µνήµης τυχαίας προσπέλασης, δηλαδή εκείνης στην οποία ο χρόνος προσπέλασης οποιουδήποτε περιεχοµένου της είναι ανεξάρτητος της θέσης του στη µνήµη. Τέλος, εξετάσαµε τους τρόπους µε τους οποίους µπορούµε να επεκτείνουµε τις αποθηκευτικές ικανότητες µιας µνήµης ως προς το µήκος λέξης και ως προς το πλήθος των θέσεων, χρησιµοποιώντας ολοκληρωµένα µνήµης µικρότερων δυνατοτήτων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΟΓΛΩΣΣΗ Mano Morris M., Ψηφιακή Σχεδίαση, (Κεφ. 7), Εκδόσεις Παπασωτηρίου, ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ Kleitz W., Digital Electronics: A Practical Approach, (Chap. 16), Prentice Hall, Tocci R. J., Widmer N.S., Digital Systems: Principles and Applications, (Chap. 11), Prentice Hall, Wakerly J. F., Digital Design: Principles and Practices, 2 nd Edition, (Chap. 11), Prentice Hall, Ο ΗΓΟΣ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΜΕΛΕΤΗΣ Tocci R. J., Widmer N.S., Digital Systems: Principles and Applications, (Chap. 11), Prentice Hall, Το Κεφάλαιο 11 του βιβλίου είναι αφιερωµένο στις µνήµες. ίνονται πολλά παραδείγµατα, ερωτήσεις, ασκήσεις και εφαρµογές. Ο τρόπος επέκτασης της µνήµης είναι πολύ κατανοητός. Επίσης, πολύ κατανοητή είναι και η περιγραφή της διαδικασίας ανάγνωσης και εγγραφής σε µια µνήµη. Wakerly J. F., Digital Design: Principles and Practices, 2 nd Edition, (Chap. 11), Prentice Hall, Το Κεφάλαιο 11 του βιβλίου αναφέρεται στις µνήµες. Η περιγραφή των διαφόρων τύπων µνήµης ROM, καθώς και η περιγραφή της δυναµικής RAM είναι πολύ αναλυτική και κατανοητή. 21

22 ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΑΥΤΟΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Απάντηση Άσκησης Αυτοαξιολόγησης 1 / Κεφάλαιο 7 Από την εκφώνηση της άσκησης είναι φανερό ότι το ολοκληρωµένο 2716 διαθέτει 16Κ bits µνήµης, διατεταγµένα ως 2Κ=2048 θέσεις µνήµης των 8 bits η καθεµιά. Συνεπώς, για την προσπέλαση 2Κ = = 2 11 διαφορετικών θέσεων µνήµης απαιτούνται 11 γραµµές διευθύνσεων (Α i, i = 0, 1,..., 10). Κάθε θέση µνήµης, δηλαδή κάθε λέξη, έχει µήκος 8 bits. Άρα, οι γραµµές δεδοµένων είναι 8 (D j, j = 0, 1,..., 7). Το σχηµατικό διάγραµµα της µνήµης αυτής φαίνεται στο Σχήµα 7.11α. Με το ίδιο σκεπτικό είναι εύκολο να διαπιστώσουµε ότι το ολοκληρωµένο 2114 έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης 4 Κ bits πληροφορίας, οργανωµένης ως 1Κ = 1024 = 2 10 λέξεις των 4 bits η καθεµιά. Οι γραµµές διευθύνσεων είναι 10 (Α i, i = 0, 1,..., 9) και οι γραµµές δεδοµένων 4 (D j, j = 0, 1, 2, 3). Το αντίστοιχο σχηµατικό διάγραµµα φαίνεται στο Σχήµα 7.11β. Είσοδος ιευθύνσεων 11 A i 2k x 8 D j 8 Έξοδος εδοµένων Είσοδος ιευθύνσεων Είσοδος εδοµένων 1k x 4 A i 10 D D j 4 j 4 Έξοδος εδοµένων (α) Είσοδος Ανάγν./Εγγραφής (β) Σχήµα Σχηµατικό διάγραµµα (α) µιας 2 Κ x 8 EPROM και (β) µιας 1 Κ x 4 RAM. Αν απαντήσατε σωστά, τότε µπράβο σας. Αν δεν τα καταφέρατε, επαναλάβετε τη µελέτη του εισαγωγικού τµήµατος της ενότητας 7.1. Πρόκειται για απλές έννοιες, που πολύ εύκολα θα τις κατανοήσετε. Απάντηση Άσκησης Αυτοαξιολόγησης 2 / Κεφάλαιο 7 Τα µειονεκτήµατα της δυναµικής RAM έναντι της στατικής είναι η µικρότερη ταχύτητα, δηλαδή ο µεγαλύτερος χρόνος προσπέλασής της, και η αναγκαιότητα ανανέωσης της πληροφορίας (refreshing). Τα κύρια πλεονεκτήµατα αυτής είναι η χαµηλή κατανάλωση, η υψηλή πυκνότητα και το µικρότερο κόστος ανά bit. Υψηλή πυκνότητα σηµαίνει ότι στο ίδιο εµβαδόν του ολοκληρωµένου χωράνε περισσότερα bits δυναµικής RAM απ ότι στατικής RAM. Τέλος, σε µια συσκευή που λειτουργεί µε 22

23 µπαταρίες θα περιµέναµε να δούµε δυναµική RAM (DRAM) για τους λόγους που µόλις αναφέραµε, µε προέχοντα αυτόν της χαµηλής κατανάλωσης. Αυτή ήταν µια εύκολη άσκηση και δεν πρέπει να σας δηµιούργησε πρόβληµα. Αν, ωστόσο, δεν καταφέρατε να καταγράψετε όλα τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα, τότε σίγουρα θα πρέπει να επαναλάβετε τη µελέτη της υποενότητας Απάντηση Άσκησης Αυτοαξιολόγησης 3 / Κεφάλαιο 7 Είδαµε στην άσκηση αυτοαξιολόγησης 1 / Κεφάλαιο 7 ότι η 2114 RAM είναι µια µνήµη 1 Κ x 4. Συνεπώς, για να δηµιουργήσουµε λέξεις των 16 bits, θα πρέπει να διασυνδέσουµε παράλληλα 4 τέτοια ολοκληρωµένα. Οι 10 γραµµές διευθύνσεων, καθώς και οι γραµµές ανάγνωσης / εγγραφής και επιλογής ολοκληρωµένου θα είναι κοινές για όλα τα ολοκληρωµένα. Το σχηµατικό διάγραµµα της διασύνδεσης αυτών για τη δηµιουργία µιας 1 Κ x 16 RAM δείχνεται στο Σχήµα D15 D D8 D D7 D4 D3 D0 A0 A g k 4 1 k 4 1 k 4 1 k 4 Επιλογή Ολο κληρωµ. Ανάγν./ Εγγρ D15 D D8 D D7 D D 4 3 D0 Σχήµα ιασύνδεση τεσσάρων ολοκληρωµένων 1 Κ x 4 RAM για τη δηµιουργία µιας 1 Κ x 16 RAM. Αν απαντήσατε σωστά, τότε µπράβο σας. Έχετε κατανοήσει τον τρόπο διασύνδεσης πολλών ολοκληρωµένων µνήµης για τη δηµιουργία µνήµης πολλαπλού µήκους λέξης. Αν δεν δώσατε τη σωστή απάντηση, τότε µελετήστε και πάλι την υποενότητα και επαναλάβετε την προσπάθειά σας. 23

24 Απάντηση Άσκησης Αυτοαξιολόγησης 4 / Κεφάλαιο 7 Η µνήµη 2114 είναι µια 1 Κ x 4 στατική RAM. Εποµένως, για τη δηµιουργία µιας 2 Κ x 4 RAM απαιτούνται 2 τέτοια ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Η διασύνδεση αυτών θα πρέπει να γίνει έτσι, ώστε στο ένα από αυτά να αποθηκεύονται οι πρώτες 1024 λέξεις (των 4 bits η καθεµιά) και στο άλλο οι υπόλοιπες 1024 λέξεις. Το σχηµατικό διάγραµµα της διασύνδεσης των δύο ολοκληρωµένων δίνεται στο Σχήµα Παρατηρούµε ότι, όπως και στο Σχήµα 7.10β, οι δύο µνήµες έχουν κοινές τις 4 γραµµές δεδοµένων (εισόδου και εξόδου), τη γραµµή ανάγνωσης / εγγραφής, καθώς και τις 10 γραµµές διευθύνσεων Α 0... Α 9. Η γραµµή διεύθυνσης Α 10 είναι αυτή που τελικά συντελεί στην επιλογή του ολοκληρωµένου, στο οποίο θα γίνει η προσπέλαση για ανάγνωση ή εγγραφή. Είσοδοι ιεύθ. Είσοδοι εδοµένων A 10 A D3 D0 9 A 0 αποκωδικοποιητής 1-σε k k 4 Ανάγνωση/Εγγραφή 4 D3 D 0 Έξοδοι εδοµένων Σχήµα Σχηµατικό διάγραµµα διασύνδεσης δύο 1 K x 4 RAM για τη δηµιουργία µιας 2 Κ x 4 RAM. Αν Α 10 =0, τότε επιλέγεται το επάνω ολοκληρωµένο (θέσεις µνήµης ), ενώ, αν Α 10 =1, τότε επιλέγεται το κάτω ολοκληρωµένο του Σχήµατος 7.13 (θέσεις µνήµης ). ( ιευκρινίζεται ότι η επιλογή ολοκληρωµένου ενεργοποιείται, όταν =0, γι' αυτό το λόγο υπάρχει και το σύµβολο της παύλας πάνω από την είσοδο, δηλαδή ο συµβολισµός είναι ). Παρατηρούµε, τέλος, ότι ο αποκωδικοποιητής των διευθύνσεων, που είδαµε στο Σχήµα 7.10, έχει στην πράξη εκφυλιστεί σε ένα απλό κύκλωµα µε µια πύλη ΝΟΤ, όπως φαίνεται µε τη διακεκοµµένη γραµµή. 24

25 Αν δώσατε το σωστό σχηµατικό διάγραµµα, τότε συγχαρητήρια. Αν δεν τα καταφέρατε µην απογοητευθείτε. Η περίπτωση αυτή είναι πιο δύσκολη από την επέκταση του µήκους λέξης, που είδαµε στην προηγούµενη άσκηση, αφού απαιτείται η αποκωδικοποίηση επιπλέον διευθύνσεων. Μελετήστε και πάλι την υποενότητα και ξαναπροσπαθήστε. Απάντηση Άσκησης Αυτοαξιολόγησης 5 / Κεφάλαιο 7 Η 2716 RAM είναι µια 2Κx8 µνήµη (Βλ. άσκηση αυτοαξιολόγησης 1 / Κεφάλαιο 7). Για να δηµιουργήσουµε µια 2Κx16 µνήµη, θα χρειαστούµε 2 τέτοια ολοκληρωµένα, τα οποία και θα πρέπει να διασυνδέσουµε παράλληλα. Για να δηµιουργήσουµε τώρα 4Κx16, θα χρειαστούµε 2 2Κx16 µνήµη, δηλαδή συνολικά 4 ολοκληρωµένα 2Κx8. Το όλο σχηµατικό διάγραµµα δείχνεται στο Σχήµα Παρατηρούµε ότι πρώτες 11 γραµµές διευθύνσεων κάθε ολοκληρωµένου είναι κοινές. Οι είσοδοι επιλογής ολοκληρωµένου ( ) των δύο ολοκληρωµένων της πρώτης σειράς είναι κοινές και τροφοδοτούνται από τη γραµµή διεύθυνσης Α 11. Έτσι, όταν Α 11 =0, τότε τα δύο αυτά ολοκληρωµένα ενεργοποιούνται και οι γραµµές Α 0 έως Α 10 καθορίζουν τη διεύθυνση της λέξης, που θα "ελευθερωθεί" στις 16 γραµµές δεδοµένων. Όταν Α 11 =1, τότε ενεργοποιούνται τα δύο ολοκληρωµένα της δεύτερης σειράς (αφού =0) και οι γραµµές Α 0 έως Α 10 καθορίζουν ποιο από τα περιεχόµενα των διευθύνσεων 2048 έως 4095 θα "ελευθερωθεί" στις 16 γραµµές δεδοµένων. Όπως θα διαπιστώσατε, η άσκηση αυτή αποτελεί συνδυασµό όλων των δυνατών περιπτώσεων επέκτασης µνήµης, δηλαδή της ταυτόχρονης επέκτασης του µήκους λέξης και της αποθηκευτικής δυνατότητας µιας µνήµης. Αν καταφέρατε να σχεδιάσετε το σωστό σχηµατικό διάγραµµα, τότε σας αξίζουν συγχαρητήρια. Αν πάλι δεν τα καταφέρατε, µην απογοητευθείτε. Μελετήστε την ενότητα 7.2 προσεκτικά και επιχειρήστε ξανά να λύσετε την άσκηση. 25

26 A11 A10-A k 8 2 k k 8 2 k D D7 D0 15 D 8 Σχήµα Σχηµατικό διάγραµµα διασύνδεσης τεσσάρων 2Kx8 EPROM για τη δηµιουργία µιας 4Κx16. ΑΠΟ ΟΣΗ ΑΓΓΛΙΚΩΝ ΟΡΩΝ ΣΤΗΝ ΕΛΛΗΝΙΚΗ access time address auxiliary memory basic memory cell binary coded decimal (BCD) bistable byte cache memory central processing unit chip select data bus device dynamic RAM floating gate magnetic diskette main memory mass storage metal-oxide-semiconductor (MOS) minterm nibble non-volatile memory pin random access refreshing register secondary memory semiconductor integrated circuit sequential / serial access seven segment display static RAM transistor-transistor logic (TTL) volatile memory χρόνος προσπέλασης, χρόνος πρόσβασης διεύθυνση βοηθητική ή δευτερεύουσα µνήµη βασικό κύτταρο µνήµης δεκαδικός κωδικοποιηµένος ως δυαδικός δισταθής ψηφιολέξη των 8-bits κρυφή ή λανθάνουσα µνήµη κεντρική µονάδα επεξεργασίας είσοδος επιλογής ολοκληρωµένου δίαυλος διακίνησης δεδοµένων συσκευή, στοιχείο δυναµική RAM επιπλέουσα πύλη µαγνητική δισκέτα κύρια ή πρωτεύουσα µνήµη µαζική αποθήκευση µέταλλο-οξείδιο-ηµιαγωγός ελάχιστος όρος, ελαχιστόρος ψηφιολέξη των 4-bits µη πτητική µνήµη, µη πρόσκαιρη µνήµη ακροδέκτης ολοκληρωµένου κυκλώµατος τυχαία προσπέλαση ανανέωση της πληροφορίας καταχωρητής βοηθητική ή δευτερεύουσα µνήµη ηµιαγωγικό ολοκληρωµένο κύκλωµα ή ολοκληρωµένο κύκλωµα σειριακή προσπέλαση συσκευή επίδειξης των επτά τµηµάτων στατική RAM λογική τρανσίστορ-τρανσίστορ πτητική µνήµη, πρόσκαιρη µνήµη 26