Пономаренко В.И., Лапшева Е.Е. Информатика. Технические средства

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция 11. Постоянные запоминающие устройства

151

ницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, од-

нако в некоторых видах флэш-памяти объем блока может достигать

256 КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие

работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродейст-

вия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сра-

зу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один

байт, сн

ачала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежа-

щий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значе-

ние байта в буфере, после чего производится запись измененного в бу-

фере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи не-

больших объемов данных в произвольные области памяти, однако зна-

чительно увеличивает быстродействие при последоват

ельной записи

данных большими порциями.

Организация flash-памяти

Яч

ейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации

и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически

изолированной областью («плавающим» затвором – floating gate), спо-

собной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда ко-

дирует один бит информации. Принцип конструирования ячеек фл

эш-

памяти представлен на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Ячейка флэш-памяти

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух

способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции «горячих» элек-

тронов или методом туннелирования электронов. Стирание содерж

имо-

го ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора) производится мето-

дом туннелирования.

Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логи-

ческий «0», а его отсутствие – как логическая «1».

Информатика. Технические средства

152

Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n

транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись в нако-

пителях flash-памяти, а также в микросхемах EPROM.

Поведени

е транзистора зависит от количества электронов на «пла-

вающем» затворе. «Плавающий» затвор играет ту же роль, что и кон-

денсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.

Помещение заряда на «плавающий» затвор в такой ячейке произ-

водится методом инжекции «горячих» электронов (CHE – channel hot

electrons), а снятие заряда осуществляется методом квантовомеханиче-

ского туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim

, FN).

При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воз-

действием положительного поля на управляющем затворе образуется

n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.

Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольт-амперные

характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чте-

ния напряжении канал не по

является, и тока между истоком и стоком

не возникает.

Рис. 11.3. Принцип считывания информации в ячейке флэш-памяти

При программировании на сток и управляющий затвор подается

высокое напряжение (причем на управляющий затвор напряжение по-

дается приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из кана-

ла инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные

Лекция 11. Постоянные запоминающие устройства

153

характеристики транзистора. Такие электроны называют «горячими»,

поскольку они обладают высокой энергией, достаточной для преодо-

ления потенциального барьера, создаваемого тонкой пленкой диэлек-

трика.

При стирании высокое напряжение подается на исток. На управ-

ляющий затвор (опционально) подается высокое отрицательное напря-

жение. Электроны туннелируют на исток.

Эффект туннелирования – один из эффектов, использующих вол-

новые св

ойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении

электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядно-

сти представим себе структуру, состоящую из двух проводящих облас-

тей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обедненная область).

Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может – не хва-

тает энергии. Но при создании определенных условий (соответствую-

щее напряжение и т. п.) электрон прос

какивает слой диэлектрика (тун-

нелирует сквозь него), создавая ток.

Различия методов туннелирования Фаулера – Нордхейма (FN) и

метода инжекции «горячих» электронов:

 Channel FN tunneling – не требует большого напряжения. Ячей-

ки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использую-

щих CHE.

 CHE injection (CHEI) – требует более высокого напряжения по

сравнению с FN. Таким образом, для работы памяти треб

уется

поддержка двойного питания.

 Программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем

методом FN.

Следует заметить, что кроме FN и CHE существуют другие методы

программирования и стирания ячейки, которые успешно используются

на практике, однако два описанных нами применяются чаще всего.

Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-

памяти, поэтому в устройствах флэш-памяти помимо самой микросхе-

мы памяти дополнительно используют специальную микросхему-

контроллер, которая управляет процессом стирания-записи и обесп

ечи-

вает равномерное использование различных ячеек памяти. Права, в по-

следнее время все чаще производители устройств флэш-памяти такой

контроллер не используют, что приводит к снижению надежности.

Кроме наиболее часто встречающихся ячеек с «плавающим» за-

твором существуют также яче

йки на основе SONOS-транзисторов, ко-

торые не содержат плавающего затвора. SONOS-транзистор напомина-

ет обычный МНОП (MNOS) транзистор. В SONOS-ячейках функцию

«плавающего» затвора и окружающего его изолятора выполняет компо-

зитный диэлектрик ONO. Расшифровывается SONOS (Semiconductor

Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как Полупроводник-Диэлектрик-

Информатика. Технические средства

154

Нитрид-Диэлектрик-Полупроводник. Вместо давшего название этому

типу ячейки нитрида в будущем планируется использовать поликри-

сталлический кремний.

Многоуровневые ячейки

В последнее время многие компании проводят исследования микросхем

флэш-па

мяти, в которых одна ячейка хранит не один, а два и более бит.

Такие ячейки называются многоуровневыми (в английском варианте

MLC – Multi Level Cell). Флэш-память, в которой используются двух-

битовые ячейки, уже анонсированы. Кроме того, уже известно, что

в лабораторных условиях получены прототипы, хранящие 4 бита в од-

ной ячейке. В н

астоящее время активно ведутся исследования, связан-

ные с поиском предельного числа бит, которое способна хранить мно-

гоуровневая ячейка.

В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памя-

ти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать

два состояния – «0» или «1». Во флэш-памяти эти два состояния разли-

чают

ся по величине заряда, помещенного на «плавающий» затвор тран-

зистора. В отличие от «обычной» флэш-памяти, MLC способна разли-

чать более двух величин зарядов, помещенных на «плавающий» затвор,

и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому со-

стоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений

бит. Например, для того, чтобы емкость ячейки был

а равна двум битам,

необходимо различать четыре уровня заряда.

Во время записи на «плавающий» затвор помещается количество

заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заря-

да на «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзисто-

ра. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении

и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную по-

следовательность бит.

Идеология построения MLC микросхем определяет их основное

преимущество по сравнению с обычными микросхемами флэш-памяти:

при равн

ом размере микросхем и одинаковом техпроцессе «обычной»

и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (раз-

мер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит – больше).

К основным недостаткам MLC можно отнести следующие:

 снижается помехоустойчивость этих ячеек и, соответственно,

надежность хранения по сравнению с однобит

ными ячейками.

Это приводит к необходимости встраивать более сложный меха-

низм коррекции ошибок, что в свою очередь приводит к услож-

нению схемы;

 быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем

у микросхем на основе однобитных ячеек;

Лекция 11. Постоянные запоминающие устройства

155

 поскольку компьютерная система целиком работает с двоичны-

ми цифровыми сигналами, необходимо разработать и встроить в

устройство памяти специфические схемы чтения/записи много-

уровневых ячеек.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие различные виды постоянных запоминающих устройств су-

ществуют?

Как устроена ячейка флэш-памяти?

В чем достоинства и недостатки флэш-памяти?

156

Лекция 12. ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ

СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ

Современная вычислительная техника может состоять не только из от-

дельных вычислительных машин. Существуют целые мультипроцес-

сорные и многомашинные вычислительные комплексы, которые позво-

ляют проводить параллельную обработку данных. К вычислительным

машинам относят и небольшие наладонные компьютеры, и персональ-

ные компьютеры, и суперкомпьютеры, потребляющие огромное коли-

чество энергии. Наиболее распространенными в настоящее время яв-

ляют

ся персональные компьютеры, которые в основном являются од-

нопроцессорными. Сфера их использования простирается от решения

игровых задач до профессиональных математических расчетов и управ-

ления измерительными приборами. Рассмотрим структуру типовой од-

нопроцессорной вычислительной машины.

Блок-схема современной однопроцессорной ЭВМ

Однопроц

ессорную ЭВМ без периферийных узлов можно условно

представить в виде четырех частей: память, устройство управления,

арифметико-логическое устройство, устройство сопряжения (предна-

значенное для управления устройствами ввода-вывода). Эта структура

в целом соответствует машине фон Неймана (лекция 2).

Независимо от того, для какой цели применяется компьютер,

принцип его действия один и тот же: он выпол

няет последовательность

действий по передаче данных в соответствующее место в надлежащий

момент времени. Эта последовательность действий определяется про-

граммой, которая представляет собой последовательность кодов инст-

рукций, исполняемых компьютером в определенном порядке.

Структура типовой однопроцессорной ЭВМ представлена на

рис. 12.1. Четыре составных части компьютера показаны здесь более

детально. Памят

ь можно разделить на оперативную (память с произ-

вольным доступом, RAM) и постоянную (ROM). Устройство сопряже-

ния включает в себя входные и выходные регистры и служит для орга-

низации обмена с внешними устройствами. Центральный процессор

выполнен, как правило, в виде одной интегральной микросхемы, назы-

ваемой микропроцессором и содержащей арифметико-логическое уст-

ройство (АЛУ), нес

колько регистров общего назначения, кэш-память,

блок операций с плавающей точкой и устройство управления. В состав

устройства управления входят программный счетчик, регистр команд

и дешифратор.

Лекция 12. Особенности архитектуры современных ЭВМ

157

Рис. 12.1. Блок-схема типовой однопроцессорной ЭВМ

Рассмотрим логическое взаимодействие отдельных узлов при ра-

боте компьютера. Тактовый генератор необходим для синхронизации

работы всех узлов компьютера в целом. Он вырабатывает тактовые им-

пульсы, частота которых определяет скорость вычислений всей систе-

мы. Устройство управления выставляет подходящие адреса на адресной

шине, выбирает команды, производит их дешифрацию и осуществляет

взаимодействие между АЛУ, нужными регистрами и ячейка

ми памяти.

Программный счетчик по мере выполнения команд изменяет свое со-

стояние в соответствии с алгоритмом и таким образом управляет по-

следовательностью выполнения команд. Кроме того, устройство управ-

ления непосредственно синхронизирует (сигнал CLK, Clock или часы)

работу отдельных узлов ЭВМ, используя сигнал тактового генератора.

Кроме того, устройство управления реагирует на сигналы прерыв

аний

(INT, Interrupt), приходящие от различных узлов компьютера. Сигналы

прерываний в ЭВМ передаются в устройство управления от внешних

Информатика. Технические средства

158

по отношению к процессору устройств. Обработка сигналов прерыва-

ний позволяет процессору обратить внимание на особые условия, воз-

никающие в нем самом или в другом оборудовании и переключиться на

выполнение другой программы. Такая организация позволяет выпол-

нять задания в соответствии с их важностью. Не дожидаясь окончания

работы программы, процессор выполнит вывод информации на дис-

плей или принтер, ввод инф

ормации с клавиатуры, регенерацию памяти

и другие необходимые задачи.

Постоянное запоминающее устройство обеспечивает начальную

загрузку компьютера, оперативная память хранит исполняемую про-

грамму и служит для хранения промежуточных данных. Устройство

сопряжения передает в нужном формате данные к периферийным уст-

ройствам, принимает от них данные, преобразуя в свою о

чередь в нуж-

ный формат и в своих регистрах хранит промежуточные данные.

Следует отметить, что организация конкретных компьютеров

и вычислительных устройств может отличаться. Обычно для сборки

компьютера необходимо использовать не только процессор, но и от-

дельные микросхемы памяти, интерфейсы, буферные усилители и ряд

других специализированных микросхем. Тем не менее в некоторых

приложениях, где нет необходимости выполнять объемные программы,

требующие больших объемов памяти и вычислительн

ых ресурсов,

очень полезны специальные микросхемы. Это однокристальные микро-

контроллеры, содержащие в одной микросхеме память, устройство сопря-

жения, CPU, тактовый генератор, и они могут работать самостоятельно.

Большое значение имеет концепция взаимосвязи отдельных частей

ЭВМ, структура или (как это принято называть в информатике) архи-

тектур

а вычислительной системы. Архитектура ЭВМ значительно

влияет на производительность и эффективность использования вычис-

лительных машин.

Развитие архитектуры вычислительных машин

ЭВМ пер

вого поколения представляли собой огромные сооружения

с тысячами радиоламп и были совершенно ненадежными. Поэтому

главной задачей проектировщиков было создание максимально простой

системы с минимальными удобствами программирования. Эти ЭВМ

программировались в машинных кодах. После появления алфавитно-

цифровых устройств ввода-вывода начался интенсивный процесс раз-

работки средств автоматизации программирования. Появились языки

символьного кодирования, предшественники со

временного ассемблера.

Что же изменилось за время развития вычислительной техники?

Прежде всего, появляются новые технологии изготовления электрон-

ных приборов, и как следствие, уменьшается потребление энергии

и размеры, увеличивается быстродействие. С другой стороны, претер-

певает изменение и структура ЭВМ, совершенствуются принципы

Лекция 12. Особенности архитектуры современных ЭВМ

159

взаимодействия ее основных узлов. Современные сложные системы не-

возможно программировать в машинных кодах, поэтому растет необ-

ходимость в разработке языков высокого уровня, прикладных пакетов

программ, методов передачи данных и других современных способов

обработки возрастающих объемов информации.

В машинах второго поколения появились элементы страничной

организации памяти и сочетание операций с фиксированной и плаваю-

щей точкой. Эти новые элементы были, в ч

астности, применены в ма-

шине российского производства М-2 (конструктор М.А. Карцев). На ба-

зе модернизированного ее варианта М4-2М были построены первые

кластеры, т. е. многомашинные вычислительные системы. Развиваются

машинно-независимые языки (первым был Фортран, который исполь-

зовался еще на ламповых машинах). Появляют

ся такие специализиро-

ванные трансляторы, как КОБОЛ (предназначенный для программиро-

вания экономических задач) и ЛИСП (для обработки списков).

В машинах третьего поколения при переходе элементной базы от

транзисторов к интегральным схемам заметно возросло быстродействие

процессора. Поэтому при выводе информации на медленное устройство

(или вводе с медленного устройства) процессор фактически простаивал,

что снижало его общую производительность. Для решения этой про-

блемы попробовали создать для управления внешними устройствами

специальные схемы и освободить центральный процессор от «рутин-

ной» работы и занять его вычисления

ми. Схемы для управления внеш-

ними устройствами также содержат свои элементы управления и памя-

ти и, таким образом, имеют структуру специализированного компьюте-

ра, что позволяет им самосто

ятельно работать с внешними устройства-

ми. В машинах серии IBM 370 (в социалистических странах их ана-

логами были ЕС ЭВМ) внешние устройства подключались при по-

мощи специальных каналов (мультиплексный канал использовался для

подключения медленных устройств, селекторные каналы – для более

быстрых).

При этом центральный процессор подключается к работе в те

случаях, когда его вмешательство необходимо. Для того чтобы работа

проходила корректно, была предложена система прерываний. Прерыва-

ние – это сигнал управления процессором, который сигнализирует

о происхождении какого-либо события. Их можно разделить на внут-

ренние и внешние (по отношению к процессору). Внешние прерывания

формируются внешними устройствами, а внутренние генерирует сам

процессор, если при выполнении последовательности команд произ

ош-

ло нечто неожиданное (например, деление на ноль). Для управления

сигналами прерываний и регулирования работы процессора и перифе-

рийных устройств был введен контроллер прерываний.

При переходе к третьему поколению существенные изменения

претерпела структура памяти. Минимальной единицей считываемой

Информатика. Технические средства

160

или записываемой информации становится 1 байт (8 бит). Реализована

идея конвейеризации обработки информации, высказанная впервые со-

ветским конструктором, академиком Лебедевым еще в 1957 году. Более

подробно рассмотрим ее несколько позднее.

К этому же периоду следует отнести возникновение понятия базо-

вых архитектур, связанных с фирмами – производителями компьюте-

ров. На основе базовой архитектуры фирмы проектировали целые се-

мей

ства процессоров различной производительности.

Проходило дальнейшее развитие языков программирования. Поя-

вились операционные системы.

Для машин четвертого поколения характерно разделение средств

вычислительной техники на две ветви – персональные компьютеры

и супер-ЭВМ, выпускаемые большими партиями. В силу своей массо-

вости персональные компьютеры потребовали качественно отличающе-

гося подхода к программному обеспечению. Необходимо было значи-

тельно у

простить взаимодействие человека с компьютером, придать

ему дружественный интерактивный характер. Появились операционные

системы для персональных компьютеров (MS-DOS), затем графические

Windows-оболочки.

К машинам пятого поколения можно отнести современные персо-

нальные компьютеры и большие многопроцессорные системы. В этих

машинах качественно упрощен процесс общения с человеком, изобра-

жение и звук становятся неотъемлемым элемент

ом интерактивного ре-

жима. Идет процесс объединения компьютеров в единое информацион-

ное пространство, создание распределенных баз данных и знаний. При

этом полным ходом идет унификация элементной базы – большие су-

перкомпьютеры и персональные ЭВМ используют одни и те же микро-

процессоры в качестве основного вычислительного блока.

Тем не менее следует отметить, что, несмотря на существенные

изменения в быстродействии, элемен

тной базе и программном обеспе-

чении, современные компьютеры состоят из тех же основных блоков и

работают на тех же принципах, которые были предложены фон Нейма-

ном в 1946 году. Изменения в архитектуре связаны с оптимизацией

взаимодействия основных узлов ЭВМ в связи с необходимостью реше-

ния задач, требующих возраст

ающей вычислительной мощности. Рас-

смотрим сущность основных изменений в архитектуре компьютера.

Отличия современного компьютера

К наиболее крупным изменениям структуры в современ

ных компьюте-

рах можно отнести следующие:

 наличие специального вида памяти – кэш-памяти;

 арифметический сопроцессор;

 наличие более одного вычислительного ядра;

 наличие общей шины;