23 0 Глава5. Память

воположное или нет, что может быть зафиксировано усилителями считывания. В процессе считывания содержимое ЗЭ разрушается и должно быть восстановлено путем повторной записи, то есть как и DRAM, данный тип ЗУ требует регенерации. Количество циклов перезаписи для FRAM обычно составляет 10 млрд.

Главное достоинство данной технологии в значительно более высокой скорости записи по сравнению с EEPROM. В то же время относительная простота ЗЭ позволяет добиться высокой плотности размещения элементов на кристалле, сопоставимой с DRAM. FRAM выпускаются в виде микросхем, полностью совместимых с последовательными и параллельными EEPROM. Примером может служить серия 24Схх.

Специальные типы оперативной памяти

В ряде практических задач более выгодным оказывается использование специализированных архитектур ОЗУ, где стандартные функции (запись, хранение, считывание) сочетаются с некоторыми дополнительными возможностями или учитывают особенности применения памяти. Такие виды ОЗУ называют специализированными и к ним причисляют:

• память для видеоадаптеров;

• память с множественным доступом (многопортовые ОЗУ);

• память типа очереди (ОЗУ типа FIFO).

Два последних типа относятся к статическим ОЗУ.

Оперативные запоминающие устройства для видеоадаптеров

Использование памяти в видеоадаптерах имеет свою специфику и для реализации дополнительных требований прибегают к несколько иным типам микросхем. Так, при создании динамичных изображений часто достаточно просто изменить расположение уже хранящейся в видеопамяти информации. Вместо того чтобы многократно пересылать по шине одни и те же данные, лишь несколько изменив их расположение, выгоднее заставить микросхему памяти переместить уже хранящиеся в ней данные из одной области ядра в другую. На ИМС памяти можно также возложить операции по изменению цвета точек изображения.

Кратко рассмотрим некоторые из типов ОЗУ, ориентированных на применение в качестве видеопамяти.

Микросхемы CGRAM. Аббревиатура SGRAM (Synchronous Graphic DRAM — синхронное графическое динамическое ОЗУ) обозначает специализированный вид синхронной памяти с повышенной внзггренней скоростью передачи данных. SGRAM может самостоятельно выполнять некоторые операции над видеоданными, в частности блочную запись. Предусмотрены два режима такой записи. В первом — режиме блочной записи (Block Write) — можно изменять цвет сразу восьми элементов изображения (пикселов). Назначение второго режима — блочной записи с маскированием определенных битов (Masked Write или Write-per-Bit) — предотвратить изменение цвета для отдельных пикселов пересылаемого блока. Имеется также модификация данной микросхемы, известная как DDR SGRAM, отличие которой

Основная память 2 3 1

очевидно из приставки DDR. Использование обоих фронтов синхросигналов ведет к соответствующему повышению быстродействия ИМС.

Микросхемы VRAM. ОЗУ типа VRAM (Video RAM) отличается высокой производительностью и предназначено для мощных графических систем. При разработке ставилась задача обеспечить постоянный поток данных при обновлении изображения на экране. Для типовых значений разрешения и частоты обновления изображения интенсивность потока данных приближается к 200 Мбит/с. В таких условиях процессору трудно получить доступ к видеопамяти для чтения или записи. Чтобы разрешить эту проблему, в микросхеме сделаны существенные архитектурные изменения, позволяющие обособить обмен между процессором и ядром VRAM для чтения/записи информации и операции по выдаче информации на схему формирования видеосигнала (ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь). Связь памяти с процессором обеспечивается параллельным портом, а с ЦАП — дополнительным последовательным портом. Кроме того, динамическое ядро DRAM дополнено памятью с последовательным доступом (SAM — Serial Access Memory) емкостью 4 Кбайт. Оба вида памяти связаны между собой широкой внутренней шиной. Выводимая на экран информация порциями по 4 Кбайт из ядра пересылается в SAM и уже оттуда, в последовательном коде (последовательный код формируется с помощью подключенных к SAM сдвиговых регистров), поступает на ЦАП. В момент перезаписи в SAM новой порции ядро VRAM полностью готово к обслуживанию запросов процессора. Наряду с режимами Block Write и Write-per-Bit микросхема реализует режим Flash Write, позволяющий очистить целую строку памяти. Имеется также возможность маскировать определенные ячейки, защищая их от записи.

Микросхемы WRAM. Данный вид микросхем, разработанный компанией Samsung, во многом похож на VRAM. Это также двухпортовая память, допускающая одновременный доступ со стороны процессора и ЦАП, но по конструкции она несколько проще, чем VRAM. Имеющиеся в VRAM, но редко используемые функции исключены, а вместо них введены дополнительные функции, ускоряющие вывод на экран текста и заполнение одним цветом больших площадей экрана. В WRAM применена более быстрая схема буферизации данных и увеличена разрядность внутренней шины. Ускорено также ядро микросхемы, за счет использования режима скоростного страничного режима (UFP — Ultra Fast Page), что обеспечивает время доступа порядка 15 не. В среднем WRAM на 50% производительнее, чем VRAM, и на 20% дешевле. Применяется микросхема в мощных видеоадаптерах.

Микросхемы MDRAM. Микросхема типа MDRAM (Multibank DRAM — многоблочное динамическое ОЗУ) разработана компанией MoSys и ориентирована на графические карты. Память содержит множество независимых банков по 1К 32-разрядных слов каждый. Банки подключены к быстрой и широкой внутренней шине. Каждый банк может выполнять определенные операции независимо от других банков. Отказ любого из банков ведет лишь к сокращению суммарной емкости памяти и некоторому снижению показателей быстродействия. Благодаря блочному построению технология позволяет изготавливать микросхемы практически любой емкости, не обязательно кратной степени числа 2.

232 Глава5. Память

Микросхемы 3D-RAM. Этот тип памяти разработан совместно компаниями Mitsubishi и Sun Microsystems с ориентацией на трехмерные графические ускорители. Помимо массива запоминающих элементов, микросхема 3D-RAM (трехмерная RAM) содержит процессор (арифметико-логическое устройство) и кэш-память. Процессор позволяет выполнять некоторые операции с изображением прямо в памяти. Основные преобразования над пикселами реализуются за один такт, поскольку стандартная последовательность действий «считал, изменил, записал» сводится к одной операции — «изменить», выполняемой в момент записи. Процессор микросхемы позволяет за секунду выполнить около 400 млн операций по обработке данных и закрасить до 4 млн элементарных треугольников. Кэш-память обеспечивает более равномерную нагрузку на процессор при интенсивных вычислениях. Ядро 3D-RAM состоит из четырех банков общей емкостью 10 Мбит. Размер строк памяти выбран таким, чтобы в пределах одной и той же области памяти находилось как можно больше трехмерных объектов. Это дает возможность сэкономить время на переходы со строки на строку. По цене данный тип микросхем сравним с VRAM.

Многопортовые ОЗУ

Стандартное однопортовое ОЗУ имеет по одной шине адреса, данных и управления и в каждый момент времени обеспечивает доступ к ячейке памяти только одному устройству. Структура запоминающего элемента (ЗЭ) такого ОЗУ приведена на рис. 5.12, а.

Рис. 5.12. Запоминающие элементы статического ОЗУ: а — однопортового;

б — двухп о рто во го

В отличие от стандартного в я-портовом ОЗУ имеется п независимых наборов шин адреса, данных и управления, гарантирующих одновременный и независимый доступ к ОЗУ п устройствам. Данное свойство позволяет существенно упростить создание многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем, где многопортовое ОЗУ выступает в роли общей или совместно используемой памяти. В рамках одной ВМ подобное ОЗУ может обеспечивать обмен информацией между ЦП и УВВ (например, контроллером магнитного диска) намного эффективней, чем прямой доступ к памяти. В настоящее время серийно выпускаются

Основная память 2 3 3

двух- и четырехпортовые микросхемы, среди которых наиболее распространены первые. Поскольку архитектурные решения в обоих случаях схожи, дальнейшее изложение будет вестись применительно к двухпортовым ОЗУ.

ЗЭ двухпортового ОЗУ (см. рис. 5.12, б) также содержит шесть транзисторов, но в отличие от стандартного ЗЭ (см. рис. 5.12, а) транзисторы Q3 служат не в качестве резисторов, а предоставляют доступ к элементу с двух направлений.

В двухпортовой памяти имеются два набора адресных, информационных и управляющих сигнальных шин, каждый из которых обеспечивает доступ к общему массиву ЗЭ (рис. 5.13). Поскольку двухпортовому ОЗУ свойственна симметричная структура, в дальнейшем наборы шин будем называть «левым» (Л) и «правым» (П). В целом организация матрицы ЗЭ остается традиционной.

Доступ к ячейкам возможен как через левую, так и через правую группу шин, причем если Л- и П-адреса различны, никаких конфликтов не возникает. Проблемы потенциально возможны, когда Л- и П-устройства одновременно обращаются по одному и тому же адресу и хотя бы одно из этих устройств пытается выполнить операцию записи. В этом случае, если один из портов читает информацию, а другой производит запись в ту же ячейку, вероятно считывание недостоверной информации. При попытке единовременного ввода в ячейку с двух направлений в нее может быть занесена неопределенная комбинация из записываемых слов. Несмотря на то что вероятность подобных ситуаций по оценкам не превышает 0,1%, такой вариант необходимо учитывать, для чего в двухпортовой памяти имеется схема арбитража с использованием сигналов «Занято».

Логика арбитража в микросхеме реализована аппаратными средствами (рис. 5.14).

Схема обеспечивает формирование сигнала «Занято», запрещающего запись в ячейку для той половины, на которой адрес появится позже, а также принятие решения в пользу одного из входных портов при одновременном поступлении адресов. Арбитр содержит два компаратора адресов (КЛ и КП), два буфера задержки (БЗЛ и БЗП), триггер-защелку (ТЗ), образованный перекрестно связанными схемами «И-НЕ», и формирователи сигналов «Занято» (ЗЛ и ЗП).

234 Глава 5. Память

Рис. 5.14. Логика арбитража с использованием сигнала «Занято»

Выявление адреса, поступившего первым, производится за счет буферов задержки и компараторов адресов. Так, если информация на адресной шине А_л уже стабилизировалась, а на шине А_п имеет тенденцию совпасть с А_л, то на выходе К_п сигнал «1» появится немедленно, как только адреса совпадут, в то время как на выходе К_лон сформируется с некоторой задержкой, определяемой БЗ_Л. Эта ситуация фиксируется триггером-защелкой, на выходе которого возможны три комбинации сигналов: ТЗ_Л= ТЗ_П = 1, ТЗ_Л= 0 и ТЗ_П = 1, ТЗ_Л=1 и ТЗ_П= 0. В исходном состоянии ТЗ_Л = ТЗ_П= 1, поскольку на выходах обоих компараторов 0. В нашем случае при поступлении от К_п сигнала 1 на выходе ТЗ_П установится значение G, в то время как выход ТЗ_Л по-прежнему останется в состоянии 1, так как с К_л единица придет позже. В результате будет сформирован сигнал, запрещающий запись через правый порт, а также сигнал Занято_п, который поступает на устройство, подключенное к правому порту микросхемы, и может быть использован для задержки или повторения обращения к ячейке.

Если обращения к одной и той же ячейке происходят строго одновременно, сигналы с выходов К_л и К_п поступят на входы ТЗ также одновременно. Схема ТЗ реализована таким образом, что триггер и в этом случае установится в какое-то одно из двух своих нормальных состояний, что гарантирует принятие положительного решения на доступ к ячейке в пользу только одного из портов.

Сигналы выбора микросхемы ВМ_Л и ВМ_П поступают непосредственно на ТЗ, благодаря чему при наличии обращения только от одного из портов арбитраж не производится.

Помимо возможности доступа к ячейкам с двух направлений, двухпортовая память снабжается средствами для обмена сообщениями между подключенными к ней устройствами: системой прерывания и системой семафоров. Первую из них называют аппаратной, а вторую — программной. .■;..■■'

В системе прерываний двухпортовой памяти две последних ячейки микросхемы (с наибольшими адресами) используются в качестве «почтовых ящиков» для

Основная память 2 3 5

обмена сообщениями между устройствами, подключенными к Л- и П-портам. Сообщению от левого устройства выделена ячейка с четным адресом (если емкость памяти равна 1К, то это будет адрес 3FF₁₆), а от правого — с нечетным (3FE₁₆). Когда устройство записывает информацию в свой «почтовый ящик», формируется запрос прерывания к устройству, подключенному к противоположному порту. Этот сигнал автоматически сбрасывается, когда адресат считывает информацию из своего «почтового ящика».

Система семафоров — это имеющийся в двухпортовой памяти набор из восьми триггеров, состояние которых может быть прочитано и изменено со стороны любого из портов. Триггеры играют роль программных семафоров или флагов, с помощью которых Л- и П-устройства могут извещать друг друга о каких-то событиях. Сущность этих событий не зафиксирована и определяется реализуемыми программами. Обычно семафоры нужны для предоставления одному из процессоров монопольного права работы с определенным блоком данных до завершения всех необходимых операций с этим блоком. В этом случае процессор, монополизирующий блок данных, устанавливает один из семафоров в состояние 1, а по завершении — в 0. Второй процессор, прежде чем обратиться к данному блоку, считывает семафор и при единичном состоянии последнего повторяет считывание и анализ семафора до тех пор, пока первый процессор не установит его в состояние 0. Естественно, что в программном обеспечении Л- и П-процессоров распределение и правила использования семафоров должны быть согласованы.

Зачастую одной микросхемы многопортовой памяти не хватает из-за недостаточной емкости одной ИМС или ввиду малой разрядности ячеек. В обоих случаях необходимо соединить несколько микросхем, соответственно параллельно или последовательно. Если несколько микросхем объединяются в цепочку для достижения нужной разрядности слова, возникает проблема с арбитражем при одновременном обращении к одной и той же ячейке. В этих случаях в разных ИМС цепочки, в силу разброса их параметров, предпочтение может быть отдано разным портам, в то время как решение должно быть единым. Для исключения подобной ситуации микросхемы многопортовой памяти выпускаются в двух вариантах: ведущие (master) и ведомые (slave). Принятие решения производится только в ведущих микросхемах, а ведомые функционируют в соответствии с инструкцией, полученной от ведущего. Таким образом, в цепочке используется только одна микросхема типа «ведущий», а все прочие ИМС должны иметь тип «ведомый».

Память типа FIFO

Во многих случаях ОЗУ применяется для буферизации потока данных, когда данные считываются из памяти в той же последовательности, в которой они туда заносились, но поступление и считывание происходят с различной скоростью. Часто для этой цели применяют обычное ОЗУ, однако здесь одновременная запись и считывание информации невозможны. Более эффективным видом ОЗУ, где оба действия могут вестись одновременно,.служит память типа FIFO. Микросхема представляет собой двухпортовое ОЗУ, где один порт предназначен для занесения информации, а второй — для считывания. Для FIFO-памяти характерны все технологические приемы, свойственные двухпортовой памяти, в частности спосо-

2 3 6 Глава 5. Память

бы арбитража при одномоментном обращении к одной и той же ячейке. В то же время есть и существенные отличия.

Первое состоит в том, что у микросхемы нет входов для указания адреса ячейки, занесение и считывание данных производится в порядке их поступления через одну входную точку и одну выходную.

Второе отличие связано с необходимостью слежения за состоянием очереди. Для этого в микросхеме имеются регистры-указатели адресов начала и конца очереди, а также специальные флаги, которые указывают на две ситуации: отсутствие данных (в этом случае блокируется считывание из микросхемы) и полное заполнение памяти (блокируется запись).

Обнаружение и исправление ошибок

При работе с полупроводниковой памятью не исключено возникновение различного рода отказов и сбоев. Причиной отказов могут быть производственные дефекты, повреждение микросхем или их физический износ. Проявляются отказы в том, что в отдельных разрядах одной или нескольких ячеек постоянно считыва-ется 0 или 1, вне зависимости от реально записанной туда информации. Сбой — это случайное событие, выражающееся в неверном считывании или записи информации в отдельных разрядах одной или нескольких ячеек, не связанное с дефектами микросхемы. Сбои обычно обусловлены проблемами с источником питания или с воздействием альфа-частиц, возникающих в результате распада радиоактивных элементов, которые в небольших количествах присутствуют практически в любых материалах. Как отказы, так и сбои крайне нежелательны, поэтому в большинстве систем основной памяти содержатся схемы, служащие для обнаружения и исправления ошибок.

Вне зависимости от того, как именно реализуется контроль и исправление ошибок, в основе их всегда лежит введение избыточности. Это означает, что контролируемые разряды дополняются контрольными разрядами, благодаря которым и возможно детектирование-ошибок, а в ряде методов — их коррекция. Общую схему обнаружения и исправления ошибок иллюстрирует рис. 5.15.

На рисунке показано, каким образом осуществляются обнаружение и исправление ошибок. Перед записью М-разрядных данных в память производится их обработка, обозначенная на схеме функцией «fi>, в результате которой формируется добавочный Ζ-разрядный код. В память заносятся как данные, так и этот вычисленный код, то есть (М + ^-разрядная информация. При чтении информации повторно формируется Ζ-разрядный код, который сравнивается с аналогичным кодом, считанным из ячейки. Сравнение приводит к одному из трех результатов:

• Не обнаружено ни одной ошибки. Извлеченные из ячейки данные подаются на выход памяти.

• Обнаружена ошибка, и она может быть исправлена. Биты данных и добавочного кода подаются на схему коррекции. После исправления ошибки в М-разрядных данных они поступают на выход памяти.

• Обнаружена ошибка, и она не может быть исправлена. Выдается сообщение о неисправимой ошибке.