MEMORIA SISTEMELOR CU MICROPROCESOR

MEMORIA SISTEMELOR CU MICROPROCESOR

Mamoria Sistem este locul unde sistemul de calcul pastreaza programele si datele cu care lucreaza la un moment dat. Ea se realizeaza de regula cu circuite integrate.

Memoria externa este locul unde se salveaza fisiere (de date sau programe) pentru a fi pastrate spre o utilizare ulterioara. Ea se realizeaza cu hard-disk, compact disk, floppy disk, flash extern, etc.

Datorita cerintelor tot mai mari de performanta pentru sistemele cu microprocesor (SM), memoria, care este o componenta importanta a acestora a trebuit sa fie perfectionata corespunzator, din punct de vedere a vitezei de lucru, a capacitatii de stocare si a dimensiunilor.

1. Tipuri de memorie pentru SM de uz general (PC).

Principial, exista doua tipuri de memorie sistem, realizate cu circuite integrate:

a)- memorie volatila

b)- memorie nevolatila

Memoria volatila, denumita RAM (acronim de la Random Access Memory) are urmatoarele caracteristici:

- continutul ei se pastreaza doar cat timp circuitul este alimentat, dupa deconectarea alimentarii, continutul se pierde si nu mai poate fi recuperat,

- accesul la informatie este posibil direct la fiecare locatie (spre deosebire de accesul secvential in care se pot accesa locatiile doar intr-o anumita ordine),

- fiecare locatie accesata poate fi scrisa si citita,

- scrierea sau citirea nu necesita o miscare fizica a memoriei sau a unui cap de citire/scriere (ca in cazul memoriei externe in general)

Avantajul major al memorie RAM este viteza de acces la o locatie, si aceasta nu depinde de pozitia locatiei in memorie.

Din acest motiv, memoria RAM este folosita ca memorie principala, ca zona de manipulare a aplicatiilor si datelor. Pe placile PC, ea nu este integrata pe placa, ci apare atat ca placa sau placi separate, ce pot fi usor schimbate sau adaugate, cat si ca zona in microprocesor (memoria cache).

Dezavantajul ei este costul ridicat si faptul ca informatia continuta se pierde la deconectarea tensiunii de alimentare.

Memoria nevolatila denumita ROM (acronim de la Read Only Memory) are urmatoarele caracteristici:

- continutul ei se pastreaza chiar dupa deconectarea alimentarii,

- accesul la informatie este posibil direct la fiecare locatie (spre deosebire de accesul secvential in care se pot accesa locatiile doar intr-o anumita ordine),

- fiecare locatie accesata poate fi doar citita,

- scrierea sau citirea nu necesita o miscare fizica a memoriei sau a unui cap de citire/scriere (ca in cazul memoriei externe in general)

Avantajul major al acestei memorii este faptul ca informatia ramane inscrisa si dupa deconecatrea alimentarii. Dezavantajul este imposibilitatea scrierii simplu a datelor.

Exista o multitudine de tipuri de memorii ROM care inlatura acest neajuns.   

1.a) Tipuri de memorii RAM

Dupa constructia memoriei, se disting

- memorii RAM statice (SRAM)

- memorii RAM dinamice (DRAM, SDRAM, DDR RAM, DDR2 RAM)

Dupa functia memoriei, se disting

- registri

- memoria Cache

- memoria principala

- memoria componentelor de interfata

Memoria RAM Statica (SRAM) este o memorie semiconductor, care pastreaza fiecare bit de informatie intr-un circuit bistabil realizat cu 6 tranzistoare, denumirea 'static' provine de la faptul ca pastreaza aceasta informatie cat timp circuitul este alimentat (spre deosebire de memoria DRAM). Ea este utilizata in PC, workstations, rutere si echipamente periferice, cahe intern, cache extern, buffere de hard disk, ecrane LCD si imprimente, drivere CD ROM, modem-uri. De asemenea BIOS-ul din PC a fost initial realizat cu SRAM cu baterie, dar acum e realizat cu memorie ROM.   

Memoria RAM dinamica este un tip de memorie RAM care pastreaza fiecare bit de data intr-un condensator in cadrul circuitului integrat. Deoarece condensatorul se descarca prin curentul de descarcare, pierzandu-si astfel informatia, el trebuie reincarcat periodic. Aceasta carecateristica ii atribuie denumirea de 'dinamic'. Avantajul major este ca pentru un bit de informatie sunt necesare un condensator si un tranzistor (fata de 6 tranzistoare ca in cazul SRAM), permitand astfel o densitate mai mare de

integrare, viteza de lucru mai mare si deci pret mai scazut.

Dezavantajul major este realizarea unei reincarcari periodice a datelor, operatie denumita 'refresh'.

Chip-urile de memorie DRAM sunt arii (matrice) de celule dotate cu auxiliare pentru citire, scriere si refresh. Sunt aranjate pe randuri si coloane, fiecare celula avand o adresa unica definita de intersectia unui rand cu o coloana.

Circuitele moderene contin amplificatoare pentru aamplificarea semnalelor si detectarea incarcarii fiecarei celule, logica de adrese pentru selectarea randului si coloanei, registriu interni care gestioneaza operatia de refresh.

Operatia de refresh consta in citirea unei celule de memorii inainte de descarcarea condensatoarului. De regula aceasta se realizeaza la un interval de 60-70 nsec, care reprezinta si timpul de acces la memorie.

Cea mai dificila sarcina in lucrul cu DRAM este rezolvarea cerintelor de timing. DRAM este un circuit asincron, ce raspunde cerintelor de citire/scriere imediat ce ele apar. Din acest motiv este necesar, pentru o functionare corecta si eficienta, respectarea secventei si a timingului semnalelor care se aplica. Acestea sunt:

- Row Address Select, /RAS , selectia randului - are sarcina de a pastra adresa randului si de a initia un ciclu de memorie. Este primul semnal dintr-o operatie. Acest semnal este folosit si pentru ciclul de refresh (o citire a unui rand este deajuns pentru reincarcarea lui).

-Column Address Select, /CAS , selectia coloanei - are sarcina de a pastra adresa coloanei si de a initia operatia de scriere/citire. Ciclul de refresh nu implica semnalul /RAS.

- Adresa este utilizata pentru a specifica locatia celulei ce se doreste a fi accesata. Pinii de adresa sunt multiplexati in chip, astfel: se plaseaza pe liniile de adresa, randul care va fi accesat, si se valideaza semnalul /RAS, se plaseaza apoi pe aceleasi linii de adresa coloana si se activeaza /CAS.

- Write enable /WE - este utilizat pentru a se selecta o operatie de scriere sau citire ('0' logic pentru scriere). Semnalul apare dupa /CAS.

- Output enable /OE - la activarea acestui semnal, data apare disponibila la pinii de date. La scriere, semnalul este ignorat.

- Data In/Out DQ - pin utilizat pentru transferul datelor la/de la memorie. In cadrul operatiei de scriere, data aplicaa la pini este transferata in memorie la aparitia semnalului /WE. La citire, dupa semnalul /OE data este diponibila la pin. Daca nic un semnal nu este activ, linia este in starea de inalta impedanta (high Z).

Memoria SDRAM (Synchronous DRAM) se bazeaza pe faptul ca in general accesul la memorie de catre Unitatea Centrala este secvential, cea mai probabila data care urmeaza este cea plasata in continuare in memorie. Pentru aceasta, un counter din interiorul circuitului permite ca adresa de coloana sa fie incrementata rapid, astfel incat citirea secventiala a datelor sa fie facuta foarte repede (in modul burst- o tehnica de transfer rapid care genereaza o o serie de adrese consecutive, de fiecare data cand este solicitata o singura locatie din memorie. Tehnica se aplica atat citirii cat si scrierii).

Aceasta are avantajul cresterii vitezei de scriere/citire panaa la 10 nsec.

Memoria DDR SDRAM (Double Data Rate) este o alta versiune performanta a DRAM. Daca in mod traditional transferul de date se desfasoara pe un sigur front de clock (ori urcator ori coborator), in cazul DDR DRAM , transferul se face pe ambele fronturi (si urcator si coborator), dubland astfel viteza de lucru fara modificarea frecventei.

Memoria DDR2 SDRAM este o dezvoltare a variantei DDR DRAM atat in planul vitezei cat si al consumului.

- Daca DDR DRAM asigura 266, 333 sau 400 Megatrasferuri pe secunda (MTps), DDR2 DRAM ajunge la 400, 533, 667 sau 800 MTps.

- Memoria DDR2 contine o arhitectura ce permite un prefetch mai rapid decat DDR.

- Tensiunea de alimentare pentru DDR2 este de 1.8V fata de 5 V a lui DDR.

Memoria SIMM. Chip-urile de memorie sunt in general continute in capsule DIP. Cu ele se formeaza module de memorie pe o placa, cu un conector in linie. Un astfel de modul se numeste SIMM (SIngle In line Memory Module). Deoarece sunt plasate perpendicular pe placa de baza, ocupa putin spatiu.

Modulele de memorie au evouluat de la memoria SIPP (Single In-line Pin Package) cu 30 de pini, prezenta la sistemele 80286 (2) la SIMM pe 30 de biti (3), de 72 de biti cu o capacitate de pana la 64MB (4), la DIMM pe 168 pini (pe doua randuri, de fiecare parte a placii)(5), DIMM cu 184 pini pentru DDR DRAM (6) si 240 pini pentru DDR2 DRAM.

Memoria cache L1

Cache este o memorie in interiorul microprocesorului, utilizata de acesta pentru a reduce accesul la memoria principala. Se bazeaza pe aducerea si copierea unor zone des utilizate din memoria principala.

Memoria cache de nivel 1 este implementat cu memorie SRAM si e de dimensiune 16KB. Ea contine cele mai frecvent utilizate date si segmente de cod, actualizand memoria principala doar cand procesorul are alte task-uri.

Memoria cache L2

Memoria cache de nivel 2 este o memorie intermediara intre memoria principala si procesor. Ea este realizata tot cu SRAM, si este amplasata pe placa de baza, avand dimensiunile de 512 KB. Foloseste pentru transferul rapid tehnologia burst.

Memoria principala

Al treilea si cel mai important nivel de memorie din sistemul cu microprocesor este memoria principala. Este o memorie DRAM care realizeaza transferul de date cu hard disk-ul.

Numarul de biti de date intr-un cuvant determina dimensiunea magistralei procesor. In prezent se lucreaza cu cuvinte de 64 de biti (adica 8 octeti sau bytes)

1.a) Tipuri de memorii ROM

In cadrul evolutiei lor, memoriile de tip ROM au trecut prin cateva faze foarte importante pentru functionalitatea lor. Astfel, prima memorie, denumita

ROM (Read Only Memory) a avut continutul programat de producator, conform unei comenzi a utilizatorului. Memoria avea continutul fix si nu suporta nici o modificare.

PROM (Programmable Read Only Memory), memorie furnizata fara informatie inscrisa, dar care putea fi programata de utilizator o singura data.

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) care putea fi inscrisa de utilizator si putea fi stearsa in intregime cu lumina ultraviolet. In acest scop are prevazut un geam de sticla prin care lumina ultraviolet poate sterge continutul sau. Este momentul cand memoriile nevolatile se dezvolta cel mai mult, scrierea si stergerea lor fiind accesibila oricarui utilizator.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) este cea mai flexibila memorie nevolatila, ea putand fi scrisa in-circuit, asemenator unui ciclu de scriere a memoriilor RAM. Diferenta consta doar in timpul mai lung pentru scrierea unei locatii a acestui tip de memorie.   

FLASH este un tip de memorie EEPROM utilizata in general ca suport de programe de aplicatii, suport de memorie externa. O caracteristica definitorie a memoriei FLASH este faptul ca stergerea se poate realiza doar pe zone de memorie, nu pe locatie ca in cazul memoriei EEPROM,

Aceste memorii nu sunt folosite pentru a stoca date de lucru, temporare, ci doar programe de aplicatie, sisteme de operare, tabele de parametri, in general date care nu se modifica prea des si care sunt necesare si dupa intreruperea alimentarii. Se utilizeaza in general in sisteme cu microprocesor sau microcontroler care lucreaza independent, fara memorie externa, in sisteme embedded, etc.

Tipuri de memorie pentru SM utilizate in Echipamente de Conducere a Proceselor (ECN)

In cazul ECN, sistemele cu microprocesor sau microcontroler sunt de tipul embedded (incorporate), au structura simpla construita special pentru o aplicatie, nu au in general suport de memorie externa, programele rezidente (preincarcate in sistem) sunt in memorii nevolatile. Memoria din aceste sisteme este atat SRAM (in general pentru pastrarea datelor de lucru), si memorii EEPROM sau FLASH pentru pastrarea programelor de aplicatie sau a tabelelor de parametri.

a) Exemplu de memorie RAM static Hitachi HM62256A

Este o memorie CMOS (Compelmentary Metal Oxid Semiconductor), de 32 kcuvinte de 8 bit (256 kbit).

Caracteristici:

viteza mare de acces 85/100/120/150 nsec

putere disipata mica (5mW in standby, 40mW in operare)

o singura tensiune de alimentare de 5V

iesire three-state (high Z)

datorita consumului redus este potrivita de a fi alimentata de la baterie

Fig.1. Capsula memoriei RAM