Всем известно, что в современных вычислительных устройствах есть оперативная память, где информация хранится только во время работы. Выполнена оперативная память в виде модулей с микросхемами (чипами), имеющих набор ячеек для хранения битовой информации. Каждая ячейка памяти предназначена для хранения нуля или единицы. 8 таких ячеек хранят 8 бит (это уже 1 байт). Изготавливаются такие чипы на основе полупроводников. Но реализация модулей и ПК имеет ряд серьезных различий, которые мы и рассмотрим в этой статье.

Память с контролем чётности.

На раннем этапе развития компьютерной техники ещё не очень хорошо была развита технология производства полупроводниковых элементов. Поэтому существовала вероятность потери информации при записи в какую-либо ячейку памяти: записывали в неё единичку, а она и не записалась (остался ноль). Чтобы хоть как-то контролировать процесс записи в память, была придумана простая технология проверки данных.

Перед записью одного байта (8 бит) вычислялась сумма всех бит в этом байте. Но запоминалась не вся контрольная сумма (для экономии памяти), а только её последний бит, значение которого (ноль или единица) запоминалось в специально отведённом для него месте. Значение этого бита (0 или 1) зависело от того, чётная или нечётная сумма битов получалась при сложении. Поэтому этот бит стали называть битом чётности (parity bit).

После записи исходного байта в ячейки памяти высчитывалась сумма бит такого сохранённого байта, и чётность этой суммы сравнивалась с предыдущей (значение которой сохранено в бите чётности). Если чётности контрольных сумм совпадали, то считалось, что запись в память выполнена успешно. А если не совпадали, то генерировалось сообщение об ошибке. Эта технология получила название контроль чётности.

Память без контроля чётности.

Со временем стали появляться более надёжные микросхемы. Вероятность возникновения ошибок в них становилась меньше. Одновременно происходило и удешевление электронных компонентов. Производство и продажи компьютеров приобрели массовый характер. Для некоторых пользователей ошибки в работе компьютеров были не критичными. Поэтому на рынок стали выпускаться модели, в которых использовалась память без контроля чётности. Избавление от "лишнего" девятого бита (на каждый байт) и "лишних" затрат на вычисление контрольных сумм позволило несколько снизить стоимость компьютеров и сделать их доступными для широких масс потребителей. Такие компьютеры стали очень популярны среди настольных (desktop) систем.

Однако, в отдельных отраслях производства, системах военно-оборонного значения и банковской сфере недопустимость ошибок в вычислительных системах остается одной из важнейших задач.

Память с контролем и коррекцией ошибок.

Технология контроля чётности не является совершенной. Она неспособна обнаружить, например, "пропадание" одновременно 2-х битов (чётность в таком случае не меняется). Поэтому решено было каждый, записываемый в память бит данных, включать не в одну контрольную сумму, а в несколько. При такой системе контроля стало возможным обнаруживать одновременно несколько ошибок, их адреса, и, кроме того, исправлять эти ошибки. Такая технология получила название Error Correction Code (ECC), так как вычислялся код, позволяющий корректировать ошибки.

Конечно, для хранения контрольных сумм требуются дополнительные регистры, что делает такие модули памяти более дорогими, но в целом, системы на основе памяти с ECC являются более отказоустойчивыми. Наибольшее применение такие модули памяти получили в серверных системах.

Память с контролем чётности и технологией ECC может применяться как в серверных, так и в настольных системах. В первом случае это оправдано важностью решаемых задач (где цена малейшей ошибки очень велика), а во втором не всегда целесообразно (с экономической точки зрения: ведь для использования модулей с контролем ошибок необходимо иметь более дорогую материнскую плату, поддерживающую эту технологию, иначе контроль ошибок просто не будет выполняться).

Буферизованная память (buffered memory).

В вычислительных системах управление записью/чтением в память и из неё осуществляется специальным контроллером памяти. Этот контроллер должен иметь доступ ко всем ячейкам памяти и обеспечивать передачу информации от шины к памяти и обратно. В настольных системах часто используются процессоры со встроенным контроллером памяти. Некоторыми недостатками такой реализации являются следующие:

Контроллер один, а контролировать надо много ячеек памяти - есть ограничение на количество одновременно обслуживаемых банков памяти при сохранении высокого быстродействия;

По одной шине данных от процессора или других компьютерных компонентов надо передавать и управляющие команды и данные - ко всем используемым модулям памяти (растет нагрузка на шину).

Чтобы улучшить ситуацию, решено было часть функций контроллера реализовать в каждом модуле памяти. Для этого в модуль памяти интегрируется специальный чип, выполняющий роль буфера, который принимает от центрального процессора команды управления и установки адресов (в этом случае поток данных в память идет по шине параллельно потоку команд). Так появилась буферизованная память (buffered memory).

Позже в этом буфере стали реализовываться функции коррекции ошибок (ECC), а также появилась возможность наращивания памяти без дополнительной нагрузки для шины данных. Дополнительные чипы для реализации буфера стали называться регистрами, а сама память - регистровой памятью (registered memory).

Со временем появились и полностью буферизованные модули памяти (FB - fully buffered), в буфер (регистр) которых стали передаваться последовательно в одном потоке не только сигналы управления, но и данные. При использовании промежуточного буфера происходит некоторое замедление в работе памяти, потому что для записи в буфер требуется один промежуточный такт.

Стоит такая память намного дороже нерегистровой (unregistered) за счёт наличия дополнительной микросхемы регистра и использования сложных технологий. Но, из-за своей эргономичности, возможности наращивания объёма, а также из-за контроля над ошибками, широко используется в серверных системах, где очень важна стабильная и безошибочная работа с большими объёмами данных.

Вопросы совместимости.

Буферизованные модули памяти на ранних стадиях своего развития использовались как в настольных, так и серверных системах, но появление регистровой памяти исключило возможность использования её в ПК.

В настольных системах использование регистровой памяти нецелесообразно (избыточная дороговизна), да и зачастую невозможно, поскольку большинство материнских плат, используемых в десктопах не имеют поддержки регистровой памяти. Материнские платы, используемые в современных серверных системах, наоборот, рассчитаны на работу только с регистровой памятью, поскольку наращивание мощности (без изменения платформы) и возможность контроля над ошибками - для серверов более важный фактор, чем стоимость.

Очень часто при выборе комплектующих мы сталкиваемся с различными непонятными терминами и понятиями. При выборе оперативной памяти это может быть DDR, DDR2, DDR3, DDR4, RDRAM, RIMM и т.п. Если с основными типами ОЗУ всё более-менее понятно, а поддержка каждого типа указана в описании к материнской плате, то такой параметр, как ECC у многих вызывает некоторые вопросы. Что такое ECC-память? Можно ли использовать ECC оперативку на домашнем компьютере и в чём главное отличие ECC RAM и non-ECC RAM?

Что такое ECC-память?

Это особый вид оперативной памяти со встроенными аппаратными средствами коррекции ошибок. Подобные модули памяти были разработаны специально для серверов, где требования к корректности данных и надёжности их обработки значительно выше чем на персональных компьютерах.

ECC-Ram автоматически распознаёт спонтанные изменения данных в блоках хранения, то есть возникшие ошибки. Обычная — десктопная память без поддержки механизмов коррекции называется non-ECC.

На что способна ECC-память и как это работает?

Память с коррекцией ошибок может определить и исправить 1 бит изменённых данных в каждом машинном слове. Что это значит? Если данные между записью и чтением были по каким-либо причинам изменены (то есть возникла ошибка), то ECC ОЗУ скорректирует значение до верного. Подобная функциональность требует поддержки со стороны контроллера оперативной памяти. Эта поддержка может быть организована со стороны чипсета материнской платы, встроенного контроллера ОЗУ в современные процессоры.

Алгоритм исправления ошибок основан на коде Хэмминга, но для исправления более одной ошибки применяются прочие алгоритмы. На практике используются модули памяти, где для каждых 8 микросхем памяти добавляется ещё по одной микросхеме, хранящей ECC-коды (8 бит на каждые 64 бита основной памяти).

Почему искажается значение в ячейках памяти RAM?

Одна из основных причин искажения данных — космические лучи. Хотя мы находимся на Земле под защитой атмосферы, космические лучи несут с собой некие элементарные частицы, способные влиять на электронику, в том числе, на компьютерную память. Под действием энергии этих частиц возможно изменение состояния ячейки памяти, что ведёт к искажению данных и возникновению ошибок. Интересно, что воздействие космических лучей увеличивается с ростом высоты, поэтому компьютерные системы, находящиеся на большой высоте требуют лучшей защиты.

Как работает память с поддержкой ECC

Один из механизмов контроля ошибок в оперативной памяти — использовать технологию контроля чётности, что позволяет фиксировать факт возникновения ошибки в данных, но не позволяет скорректировать данные.

Для ECC коррекции используется код Хэмминга. ECC защищает компьютерные системы от некорректной работы в связи с порчей памяти и снижает вероятность критического отказа системы. Память с поддержкой ECC работает на 2-3 % медленнее чем non-ECC в зависимости от приложений.

Причины использовать ЕСС-память

Объективных причин использовать оперативную память с поддержкой ECC в настольных компьютерах нет. Так как вероятность возникновения ошибок данных крайне мала, то в обычных сценариях использования ПК крайне маловероятно, что возникновение ошибки приведёт к возникновению проблем или критических сбоев в работе ПК. Самый страшный сценарий — появление синего экрана смерти BSOD. Кроме того, использование ECC-ОЗУ затруднено тем, что настольные процессоры и материнские платы в своём большинстве не поддерживают данный тип оперативной памяти.

Использование оперативки с коррекцией ошибок ECC актуально для сервером и корпоративного сегмента, где требования к отказоустойчивости и надёжности очень высоки, а корректность данных может влиять на результаты вычислений и работу системы в целом.

Можно выделить три основных вида памяти, используемой в микроконтрол­лерах:

● память программ, которая представляет собой постоянную память, пред­назначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не из­меняет своего содержимого в процессе выполнения программы;

● память данных, предназначенная для хранения переменных (результатов) в ходе выполнения программы;

● регистровая память, состоящая из внутренних регистров микроконтроллера. Рассмотрим особенности каждого из перечисленных видов памяти.

Память программ.

Необходимость такой памяти вызвана тем, что микроконт­роллер не содержит таких устройств памяти, как винчестер в компьютере, с кото­рого загружается исполняемая программа. Поэтому код программы должен по­стоянно храниться в микроконтроллере.

Все типы памяти программ относятся к энергонезависимой памяти, или постоянной памяти (ПЗУ), содержимое которой сохраняется после выключения питания микроконтроллера.

В процессе выполне­ния программа считывается из этой памяти, а блок управления (дешифратор команд) обеспечивает ее декодирование и выполнение необходимых операций. Содержимое памяти программ не может меняться (перепрограммироваться) во время выполнения программы. Поэтому функциональное назначение микроконт­роллера не может измениться, пока содержимое его памяти программ не будет стерто (если это возможно) и перепрограммировано (заполнено новыми коман­дами).

Следует обратить внимание, что разрядность микроконтроллера (8, 16 или 32 бит) указывается в соответствии с разрядностью его шины данных.

Когда го­ворится, что устройство является 8–разрядным, это означает разрядность дан­ных, которые способен обрабатывать микроконтроллер.

В Гарвардской архитектуре команды могут иметь большую разрядность, чем данные, чтобы дать возможность считывать за один такт целую команду. Напри­мер, микроконтроллеры PIC в зависимости от модели используют команды с раз­рядностью 12, 14 или 16 бит. В микроконтроллерах AVR команда всегда имеет разрядность 16 бит. Однако все эти микроконтроллеры имеют шину данных раз­рядностью 8 бит.

В устройствах с Принстонской архитектурой разрядность данных обычно оп­ределяет разрядность (число линий) используемой шины. В микроконтроллерах Motorola 68НС05 24–разрядная команда размешается в трех 8–разрядных ячейках памяти программ. Для полной выборки такой команды необходимо произвести три цикла считывания этой памяти.

Выделим и рассмотрим пять типов энергонезависимой резидентной памяти, или постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), используемых для хранения про­грамм.

Масочная память.

Масочные ПЗУ (Mask–ROMили просто ROM) изготавли­ваются на этапе производства микроконтроллеров для полностью отлаженной программы. На стеклянном фотошаблоне при использовании программы созда­ется рисунок маски. Полученный фотошаблон с маской используется для форми­рования соединений между элементами, из которых состоит память программ.

Первые масочные ПЗУ появились в начале 1960–х годов и находят применение до настоящего времени благодаря таким достоинствам как низкая стоимость при массовом производстве изделий и высокая надежность хранения программ.

Недостатки масочных ПЗУ - любое изменение прикладной программы связано со значительными затратами средств и времени на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство.

Однократно программируемая память.

Эта память (One–Time Program­ mable ROM - OTPROM) программируется пользователем и в исходном состоянии содержит ячейки с единичными битами. Программированию подлежат только те ячейки памяти, содержимое которых должно принять значение 0. Для этого на ячейку памяти подают последовательность импульсов повышенного напряжения.

Уровень напряжения, число импульсов и их временные параметры должны строго соответствовать техническим условиям. После записи нуля восстановить единич­ное значение невозможно. По этой причине память получила название однократ­но программируемых ПЗУ. Однако следует указать на возможность допрограммирования (не тронутых) ячеек с единичными битами.

Микроконтроллеры с одно­кратно программируемым ПЗУ используются в изделиях, выпускаемых небольши­ми партиями.

Репрограммируемая память с ультрафиолетовым стиранием.

Ячейка памяти с ультрафиолетовым стиранием (Erasable Programmable ROM - EPROM) представляет собой ЛИПЗМОП (лавинно–инжекционный с плавающим затвором) транзистор. В исходном состоянии (до записи) при обращении к ячей­ке считывается логическая единица. Программирование памяти сводится к запи­си в соответствующие ячейки логических нулей. Память ЕР ROM допускают много­кратное программирование, технология которого подобна технологии однократно программируемых ПЗУ.

Перед каждым сеансом программирования выполняется операция стирания для восстановления исходного состояния ячеек памяти. Для этого в корпусе мик­роконтроллера предусмотрено специальное окно, которое облучается ультрафио­летовыми лучами. Число сеансов стирания/программирования ПЗУ составляет 25–100 раз при соблюдении технологии программирования (заданные значения питающих напряжений, число и длительность импульсов) и технологии стирания (волновой диапазон источника ультрафиолетового излучения).

Микроконтролле­ры с памятью EPROM из–за высокой стоимости применяются в опытных образцах разрабатываемых приложений.

Для уменьшения цены микросхемы EPROM заклю­чают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием). Благодаря снижению стоимости версии EPROM часто используются вместо масочно–программируемых ROM.

Репрограммируемая память с электрическим стиранием.

В ка­честве элемента памяти с электрическим стиранием (Electrically Erasable Pro ­grammable ROM - EEPROM или E2 PROM) используется транзистор со структурой МНОП (Металл, Нитрид кремния, Окисел кремния, Полупроводник), благодаря чему ПЗУ имеет сравнительно низкую стоимость (по отношению к EPROM) и до­пускает максимальное число циклов стирания/программирования 10 4 –10 6 . Кроме того, технология программирования памяти EEPROM позволяет реализовать побайтное стирание и побайтное программирование, не снимая контроллер с платы, что позволяет периодически обновлять его программное обеспечение.

Несмотря на указанные достоинства, этот тип памяти не получил широкого распространения для хранения программ по двум причинам:

● ПЗУ типа EEPROM имеют ограниченную емкость;

● появились ПЗУ типа FLASH , которые имеют близкие пользовательские харак­теристики, но более низкую стоимость.

Память типа FLASH.

Электрически программируемая и электрически сти­раемая память типа FLASH (FLASH ROM) создавалась как альтернатива между де­шевыми однократно программируемыми ПЗУ большой емкости и дорогими EEPROM ПЗУ малой емкости. Память FLASH (как и EEPROM) сохранила возмож­ность многократного стирания и программирования.

Из схемы ПЗУ изъят тран­зистор адресации каждой ячейки, что, с одной стороны, лишило возможности программировать каждый бит памяти отдельно, с другой стороны, позволило уве­личить объем памяти. Поэтому память типа FLASH стирается и программируется страницами или блоками.

Таким образом, функционально FLASH –память мало отличается от EEPROM. Основное отличие состоит в способе стирания записанной информации: если в EEPROM–памяти стирание производится отдельно для каждой ячейки, то во FLASH –памяти - целыми блоками. В микроконтроллерах с памятью EEPROM при­ходится изменять отдельные участки программы без необходимости перепро­граммирования всего устройство.

В настоящее время МК с FLASH начинают вытеснять МК с однократно про­граммируемым (и даже масочным) ПЗУ.

Программирование ПЗУ.

Отметим, что Mask ROM –память программируется только в заводских условиях при изготовлении МК. Память типа OTPROM и EPROM предоставляет разработчику возможности программирования с исполь­зованием программатора и источника повышенного напряжения, которые под­ключаются к соответствующим выводам МК.

Память EEPROM и FLASH относится к многократно программируемой, или репрограммируемой, памяти. Необходимое для стирания/программирования по­вышенное питания создается в модулях EEPROM и FLASH –памяти со­временных контроллеров с помощью встроенных схем усиления напряжения, на­зываемых генераторами накачки. Благодаря реализации программного управления включением и отключением генератора накачки появилась принципиальная возможность осуществить программирование или стирание ячеек памяти FLASH и EEPROM в составе разрабатываемой системы. Такая технология программиро­вания получила название программирования в системе (In System Programming - ISP).

Она не требует специального оборудования (программаторов), благодаря чему сокращаются расходы на программирование. Микроконтроллеры с ISP–па­мятью могут быть запрограммированы после их установки на плату конечного из­делия.

Рассмотрим, как реализуется (и используется) возможность программирова­ния EEPROM–памяти под управлением прикладной программы. Если программу с алгоритмом программирования хранить в отдельном модуле памяти с номи­нальным питающим напряжением, а EEPROM–память снабдить генераторами накачки, то можно произвести ISP–программирование EEPROM –памяти. Данное обстоятельство делает EEPROM –память идеальным энергонезависимым запоми­нающим устройством для хранения изменяемых в процессе эксплуатации изде­лия настроек пользователя. В качестве примера можно привести современный телевизор, настройки каналов которого сохраняются при отключении питания.

Поэтому одной из тенденций совершенствования резидентной памяти 8–раз­рядных МК стала интеграция на кристалл МК двух модулей энергонезависимой памяти: FLASH (или OTP) - для хранения программ и EEPROM - для хранения перепрограммируемых констант.

Рассмотрим технологию (ре)программирования FLASH –памяти с встроенным генератором накачки под управлением прикладной программы. Прежде всего, отметим два обстоятельства:

● если для хранения перепрограммируемых констант в МК встроена память EEPROM, то попрограммирование нескольких бит FLASH –памяти при эксплуа­тации готового изделия не имеет смысла. При необходимости лучше сразу использовать режим репрограммирования;

● не следует программу программирования FLASH –памяти хранить в самой FLASH –памяти, так как переход в режим программирования приведет к невоз­можности дальнейшего ее считывания. Программа программирования долж­на располагаться в другом модуле памяти.

Для реализации технологии программирования в системе выбирается один из оследовательных портов МК, обслуживание которого осуществляет специальная программа монитора связи, расположенная в резидентном масочном ПЗУ МК. Через последовательный порт персональный компьютер загружает в ОЗУ МК про­грамму программирования и прикладную программу, которая затем заносится в память FLASH. Так как резидентное ОЗУ МК имеет незначительный объем, то прикладная программа загружается отдельными блоками (порциями). Если в МК установлен модуль масочной памяти с программой программирования, в ОЗУ загружается только прикладная программа.

Микроконтроллеры, реализующие технологию программирования в системе, часто имеют в своем составе четыре типа памяти:

FLASH –память программ, Mask ROM –память монитора связи, EEPROM –память для хранения изменяемых кон­стант и ОЗУ промежуточных данных.

Технология программирования в системе в настоящее время все шире ис­пользуется для занесения прикладных программ в микроконтроллеры, располо­женные на плате конечного изделия. Ее достоинство - отсутствие программато­ра и высокая надежность программирования, обусловленная стабильностью за­данных внутренних режимов МК.

В качестве примера приведем показатели резидентной FLASH –памяти МК се­мейства НС08 фирмы Motorola:

● гарантированное число циклов стирания/программирования - 10 5 ;

● гарантированное время хранения записанной информации - 10 лет, что практически составляет жизненный цикл изделия; модули FLASH –памяти работают и программируются при напряжении питания МК от 1,8 до 2,7 В;

● эквивалентное время программирования 1 байта памяти - 60 мкс.

Память данных.

В качестве резидентной памяти данных используется стати­ческое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), позволяющие уменьшать частоту тактирования до сколь угодно малых значений. Содержимое ячеек ОЗУ (в отличие от динамической памяти) сохраняется вплоть до нулевой частоты. Еще одной особенностью статического ОЗУ является возможность уменьшения на­пряжения питания до некоторого минимально допустимого уровня, при котором программа управления микроконтроллером не выполняться, но содержимое в ОЗУ сохраняется.

Уровень хранения имеет значение порядка одно­го вольта, что позволяет для сохранения данных при необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батарейки или аккумулятора). Некото­рые МК (например, DS5000 фирмы Dallas Semiconductor) имеют в корпусе авто­номный источник питания, гарантирующий сохранение данных в ОЗУ на протяжении 10 лет.

Характерной особенностью микроконтроллеров является сравнительной не­большой объем (сотни байт) оперативной памяти (ОЗУ), используемой для хране­ния переменных. Это можно объяснить несколькими факторами:

● стремлением к упрощению аппаратных средств МК;

● использованием при написании программ некоторых правил, направленных на сокращение объема памяти ОЗУ (например, константы не хранятся как переменные);

● распределением ресурсов памяти таким образом, чтобы вместо размещения данных в ОЗУ максимально использовать аппаратные средства (таймеры, ин­дексные регистры и др.);

● ориентацией прикладных программы на работу без использования больших массивов данных.

Особенности стека.

В микроконтроллерах для организации вызова под­программ и обработки прерываний выделяется часть памяти ОЗУ, именуемая стеком. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных ре­гистров (аккумулятора, регистра состояния, индексных и других регистров) со­храняется, а при возврате к основной программе восстанавливается. Напомним, что стек работает по принципу: последний пришел - первый ушел (Last In , First Out-LIFO).

В Принстонской архитектуре ОЗУ используется для реализации многих аппа­ратных функций, включая функции стека. В адресном пространстве памяти выде­лены отдельные области для команд, регистров общего назначения, регистров специальных функций и др. Это снижает производительность контроллера, так как обращения к различным областям памяти не могут выполняться одновремен­но.

Микропроцессоры с Гарвардской архитектурой могут параллельно (одновре­менно) адресовать память программ, память данных (включающую пространство ввода–вывода) и стек.

Например, при активизации команды вызова подпрограм­мы CALL выполняется несколько действий одновременно.

В Принстонской архитектуре при выполнении команды CALL следующая ко­манда выбирается только после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика.

Из–за небольшой емкости ОЗУ в микроконтроллерах обеих архитектур могут возникнуть проблемы при выполнении программы:

● если выделен отдельный стек, то после его заполнения происходит цикличе­ское изменение содержимого указателя стека, в результате чего указатель стека начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека. Поэтому после слишком большого количества команд CALL в стеке окажется неправильный адрес возврата, который был записан вместо правильного адреса;

● если микропроцессор использует общую область памяти для размещения данных и стека, то при переполнении стека произойдет затирание данных. Рассмотрим особенности сохранения в стеке содержимого регистров, обус­ловленные отсутствием команд загрузки в стек (PUSH) и извлечения из стека (POP). В таких микроконтроллерах вместо команды PUSH и POP используются две команды и индексный регистр, который явно указывает на область стека. После­довательность команд должна быть такой, чтобы прерывание между первой и второй командой не привело к потере данных. Ниже приведена имитация команд PUSH и POP с учетом указанного требования.

PUSH ; Загрузить данные в стек decrement index; Перейти к следующей ячейке стека move [ index], асе; Сохранить содержимое аккумулятора в стеке POP ; Извлечь данные из стека move асе, ; Поместить значение стека в аккумулятор increment index ; Перейти к предыдущей ячейке стека

Если после первой команды программа будет прервана, то после выполнения обработки прерывания содержимое стека не будет потеряно.

Регистровая память.

Микроконтроллеры (как и компьютерные системы) име­ют множество регистров, которые используются для управления различными внутренними узлами и внешними устройствами. К ним относятся:

● регистры процессорного ядра (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры);

● регистры управления (регистры управления прерываниями, регистры управ­ления таймером);

● регистры ввода/вывода данных (регистры данных и регистры управления па­раллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом).

По способу размещения регистров в адресном пространстве можно выделить:

● микроконтроллеры, в которых все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве, т. е. регистры совмещены с памятью дан­ных. В этом случае устройства ввода–вывода отображаются на память;

● микроконтроллеры, в которых устройства ввода/вывода отделены от общего адресного пространства памяти. Основное достоинство способа размещения регистров ввода–вывода в отдельном пространстве адресов - упрощается схема подключения памяти программ и данных к общей шине. Отдельное пространство ввода–вывода дает дополнительное преимущество процессо­рам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать коман­ду во время обращения к регистру ввода–вывода.

Способы обращения к регистрам оказывают существенное влияние на их про­изводительность. В процессорах с RISC–архитектурой все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам, что обеспечивает более высокую гибкость при организации работы процессора.

О внешней памяти.

В тех случаях, когда для разрабатываемых приложений не хватает резидентной памяти программ и памяти данных, к микроконтроллеру подключается дополнительная внешняя память. Известны два основных способа:

● подключение внешней памяти с использованием шинного интерфейса (как в микропроцессорных системах). Для такого подключения многие микроконт­роллеры имеют специальные аппаратные средства;

● подключение памяти к устройствам ввода–вывода, При этом обращение к па­мяти осуществляется через эти устройства программными средствами. Такой способ позволяет использовать простые устройства ввода/вывода без реали­зации сложных шинных интерфейсов. Выбор способа зависит от конкретного приложения.

Аннотация: Рассматривается принцип действия регистров как элементов электронной памяти.

Регистр - это ИМС средней степени интеграции, предназначенная для запоминания и хранения многоразрядного слова .

Регистр-защелка

Простейший регистр представляет собой параллельное соединение нескольких триггеров (рис. 8.1 ,а). УГО регистра-защелки приведена на рис. 8.1 ,б. Если регистр построен на триггерах-защелках, то его называют регистр- "защелка". Как правило, в состав ИС регистра входят буферные усилители и элементы управления, например как показано на рис. 8.2 ,а. Здесь изображена функциональная схема 8-разрядного D -регистра-защелки КР580ИР82 с тремя состояниями на выходе. Его УГО представлено на рис. 8.2 ,б.

Рис. 8.1. Четырёх-разрядный регистр-"защелка" с прямыми выходами: а - функциональная схема; б - УГО

Третьим состоянием (первые два - это логический 0 и логическая 1) называется состояние выходов ИС, при котором они отключены и от источника питания, и от общей точки. Другие названия этого состояния - состояние высокого сопротивления, высокоимпедансное состояние, Z-состояние [ , с. 61 - 63; , с. 68 - 70].

Достигается это третье состояние специальным схемным решением [ , с. 117 - 118] в выходной части логических элементов, когда выходные транзисторы логических элементов заперты и не подают на выход ни напряжения питания, ни потенциала земли (не 0 и не 1).

Регистр КР580ИР82 состоит из 8 функциональных блоков (рис. 8.2 ,а). В каждый из них входит D -триггер-защелка с записью по заднему фронту и мощный выходной вентиль на 3 состояния. STB - стробирующий вход, - разрешение передачи - сигнал, управляющий третьим состоянием: если , то происходит передача информации со входов на соответствующие выходы , если же , все выходы переводятся в третье состояние. При и ИС работает в режиме шинного формирователя - информация со входов передается на выходы в неизменном виде.

При подаче на заднего фронта сигнала происходит "защелкивание" передаваемой информации в триггерах, то есть там запоминается то, что было на момент подачи . Пока , буферный регистр будет хранить эту информацию, независимо от информации на D -входах. При подаче переднего фронта при сохранении состояние выходов будет изменяться в соответствии с изменением на соответствующих входах . Если же , то все выходные усилители переводятся в третье состояние. При этом, независимо от состояния входов, все выходы регистра переводятся в третье состояние.

Все выводы регистра могут иметь активный нулевой уровень, что отображается на УГО в виде инверсных сигналов и обозначений выводов.

Существует множество разновидностей регистров , например, сдвиговые регистры [ , глава 8], в которых триггеры соединены между собой таким образом, что передают информацию последовательно от одного триггера к другому [ , стр. 109 - 122], но мы здесь остановимся на регистре-защелке и его применении.

Регистровая память

Регистровая память - register file - это сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) - схема из нескольких регистров, предназначенная для хранения нескольких многоразрядных слов .

На рис. 8.3 показан пример реализации СОЗУ , состоящего из четырех 8-разрядных регистров (подключение RG2 и RG3 не показано, оно осуществляется аналогично). Данное СОЗУ имеет информационный объем 4x8 бит - 4 слова по 8 бит, или 4 байта. Здесь DI - data input - входная шина данных, DO - data output - выходная шина данных, WR - сигнал записи в СОЗУ, RD - сигнал чтения информации из СОЗУ, ВШД - внутренняя шина данных.

Каждый регистр имеет двухразрядный адрес, который подается на входы дешифратора. Например, крайний левый на рис. 8.3 регистр RG1 имеет адрес , следующий - (не показан на рисунке), далее - (не показан), а крайний справа регистр RG4 имеет адрес .

При наличии активного сигнала записи дешифратор в соответствии с кодом адреса выдает на один из регистров активный сигнал , по которому информация с входной шины данных DI записывается в выбранный регистр . По заднему фронту информация в этом регистре "защелкивается".

Если, например, на DI подана информация , и адрес регистра равен , тогда активный сигнал на выходе "3" дешифратора будет подан как на регистр RG4. На остальных регистрах в это время будет неактивный уровень сигнала , поэтому информация с входной шины данных будет записана в RG4, в остальных регистрах будет храниться записанная ранее информация.

При активном сигнале чтения активизируются все 8 мультиплексоров (на схеме показаны первый, второй и восьмой, остальные подключены аналогичны), поскольку на их разрешающие входы подан активный сигнал . В соответствии с поданным на дешифратор адресом , мультиплексоры коммутируют на выходную шину данных информацию с выбранного регистра. Например, , адрес регистра равен . Тогда на всех мультиплексорах будет , все они начинают выбирать информацию в соответствии с адресом . Поэтому на выходную шину DO будут поданы разряды внутренней шины с номерами 25 - с первого мультиплексора, 26 - со второго, 27 - с третьего, 28 - с четвертого, 29 - с пятого, 30 - с шестого, 31 - с седьмого и 32 - с восьмого мультиплексора. Таким образом, информация, являющаяся копией содержимого регистра RG 4 с адресом передается на выходную шину данных DO - неизменное состояние выхода мультиплексора.

Существует два основных типа оперативной памяти (ОЗУ); это буферизованная память — или регистровая память — и небуферизованная память. Небуферизованная память быстрее, и чаще значительно дешевле, чем буферизованная память. Таким образом — это тип модуля, который можно найти практически во всех домашних настольных и портативных компьютерах. Буферизованная память более дорогая, чем небуферизованный тип, и она также медленнее из-за того, как она обрабатывает хранение и восстановление данных.
Буферизованная память, однако, намного более стабильна, чем небуферизованные формы, поэтому она используется в основном на компьютерах с мейнфреймом и в серверах.

Небуферизованная память на сегодняшний день является наиболее распространенной формой модуля памяти компьютера, который можно найти в повседневном использовании. Эти модули памяти дешёвые для производства по сравнению с буферизованными модулями памяти, частично из-за их общего использования на домашних и коммерческих компьютерах, а также из-за того, что используется меньше аппаратного обеспечения. В небуферизованном модуле памяти нет встроенного оборудования для работы в качестве регистра для инструкций между чипом RAM и контроллером памяти компьютера. Это приводит к более быстрой скорости работы, но увеличивает риск критической ошибки потери памяти, возникающей из-за случайного характера размещения и восстановления информации, особенно в периоды интенсивной активности.

Чаще всего именуемая зарегистрированной памятью является буферизованной памятью. Небуферизованная память, как ни странно, сохранила своё имя и не была изменена на незарегистрированную память. Буферизованная память отличается от небуферизованного типа тем, что в ней имеется аппаратный регистр, который хранит информацию в кеше за один такт работы микросхемы памяти. Хотя эта операция может привести к более медленному времени работы микросхемы памяти, она обеспечивает дополнительную стабильность и снижает риск ошибок памяти.

В общем бытовом использовании разница в скорости между двумя типами модулей памяти кажется незначительной. В периоды интенсивного обмена информацией проявляется латентность, наблюдаемая с помощью регистра. Буферизованная память обычно используется в серверных компьютерах и системах мейнфреймов для обеспечения стабильности и защиту от повреждения, которая может возникать в небуферизованных модулях, когда они подвергаются постоянному интенсивному использованию. Хотя буферизованные модули являются более дорогими и, как правило, более медленными в работе, стабильность памяти и безопасность данных более чем компенсируются в рабочей среде.