Typy pamětí a jejich členění

Typy pamětí a jejich členění

Paměti můžeme dělit z různých hledisek podle vlastností, materiálu, rychlosti a podobně.

Podle materiálu a fyzikálních principů

• magnetické - založené na magnetických vlastnostech materiálu, informaci uchovává směr magnetizace.
• optické - využívá optických vlastností materiálu, např. odraz světla.
• polovodičové - využívá vlastností polovodičových tranzistorů, buď se realizují klopnými obvody (technologie TTL), nebo obnovováním elektrického náboje (CMOS)
• magnetooptické - pomocí světla (laser) se mění magnetické vlastnosti materiálu
• feritové - jako nosič jednoho bitu je používáno feritové jádro o rozměru cca 0,8 mm, magnetická orientace se překlápí proudovým impulsem (zastaralé)

Režim činnosti polovodičových pamětí

• dynamické - informace se musí periodicky obnovovat cyklem čtení, náročnější na řídící logiku
• statické - informace zůstává uchována i bez obnovování, mají vyšší cenu za bit

Podle závislosti na napájení

• napěťově závislé - pro uchování a přístup k informacím potřebuje paměť napájecí napětí, při jeho zániku zaniká i informace (volatilní)
• napěťově nezávislé - potřebuje napětí pro činnost (čtení / zápis), ale při jeho zániku uchovává informaci

Podle přístupu

• RAM (Random Access Memory) - s libovolným přístupem, doba přístupu k obsahu není závislá na umístění (adrese). Počítačové disky jsou považovány za paměti typu RAM, i když to není přesné.
• sekvenční - doba přístupu k obsahu je závislá na umístění, například páska
• asociativní - adresovaná obsahem, adresou je klíčová hodnota ukládaná s informací

Podle schopnosti zápisu

• RWM (Read Write Memory) - Paměť pro zápis i čtení (Termín RAM obvykle označuje tento typ paměti - název RWM se neuchytil).
• ROM (Read Only Memory) - Paměť pouze pro čtení. Informace je do paměti uložena jednorázově při výrobním procesu.
• PROM (Programmable Read Only Memory) - Paměť se vyrobí bez informace a pomocí speciálního zařízení (programátor) si ji naprogramuje uživatel.
• EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) - Paměť je možné vymazat speciálním způsobem (např. ultrafialovým zářením) a znovu přeprogramovat.
• WMM (Write Mostly Memory), někdy uváděna jako WOM (Write Only Memory) - Při provozu je používána jen pro zápis, informace je čtena jednorázově na konci provozního cyklu. Mívá speciální využití (černá skříňka).
• WOM (Write Only Memory) - Nerealizované nesmyslné zařízení, jež se stalo součástí inženýrského folklóru.
• EEPROM (E2PROM) (Electric Erasable PROM) - Obdoba EPROM, mazání však probíhá pomocí elektrického „impulsu,“ maže se buňka po buňce. Počet zápisů je omezen - cca 100 000 přepisů.
• Flash EPROM (Paměť EPROM s rychlým mazáním) - Obdoba EEPROM, mazání však probíhá po blocích buněk. Lze ji smazat pouze celou (1ms) nebo po částech, ne po jednotlivých buňkách. Má výrazně omezený počet zápisu - cca 1000

Všechny paměti xROM jsou statické a Non-Volatile - jednou zapsaná informace zůstává trvale uložena. Volatilita je schopnost paměťové buňky udržet si informaci i bez napájení.

Podle určení

• Vnitřní paměť
• Registry procesoru - paměť s velmi malou kapacitou, rychlá stejně jako procesor, součást procesoru, který ji používá pro uchovávání operandů a výsledků aritmetických a logických operací
• Operační paměť - vnitřní paměť pro práci procesoru počítače, rychlá, ale podstatně pomalejší než procesor
• Cache - rychlá vyrovnávací paměť s malou kapacitou, rychlost srovnatelná s procesorem
• Vnější paměť - pro dlouhodobé a bezpečné uložení souborů počítače, velká kapacita, malá rychlost
• Pevný disk
• CD a DVD

Základní parametry pamětí jsou:

• kapacita: množství informací, které je možné do paměti uložit
• přístupová doba: doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci
• přenosová rychlost: množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času
• statičnost / dynamičnost
• statické paměti: uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí
• dynamické paměti: zapsanou informaci mají tendenci ztrácet i v době, kdy jsou připojeny k napájení. Informace v takových pamětech je nutné tedy neustále periodicky oživovat, aby nedošlo k jejich ztrátě.
• destruktivnost při čtení
• destruktivní při čtení: přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána.
• nedestruktivní při čtení: přečtení informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní.
• energetická závislost
• energeticky závislé: paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje napájení ztrácejí
• energeticky nezávislé: paměti, které uchovávají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení.
• přístup
• sekvenční: před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace
• přímý: je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci
• spolehlivost: střední doba mezi dvěma poruchami paměti
• cena za bit: cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit paměti

Vnitřní paměti – polovodičové

RWM  paměť čtení/zápis – programy, data

ROM  paměť pouze čtení-rezidentní programy, konstanty

RAM  paměť s libovolným přístupem – operační paměť počítače, vyrovnávací paměti

FIFO   First In – First Out – data jsou z paměti čtena v tom pořadí v jakém byla zapsána do paměti. Po přečtení je položka zrušena.

LIFO  Last In – First Out – data jsou z paměti čtena v opačném pořadí, než jsou zapsána do paměti – paměti typu STACK

NVRAM Non Volatile RAM – po zapnutí napájení se informace ROM přepíše do RWM se kterou se pracuje (operace RECALL). Před vypnutím se z RWM zapíše do ROM (operace STORE)

SRAM  Static RAM – vyrovnávací paměti cache

DRAM Dynamic RAM – operační paměť

Základním požadavkem na paměťový prvek je co nejmenší příkon na hradlo, co největší hustota integrace a co největší přístupová rychlost. Nejlépe vyhovuje technologie CMOS.

Interní paměti jsou zapojeny jako matice paměťových buněk. Každá buňka má kapacitu jeden bit. Takováto buňka tedy může uchovávat pouze hodnotu logická 1 nebo logická 0.

Obecná struktura vnitřní paměti.

Při přístupu do paměti (čtení nebo zápis) je vždy udána adresa paměťového místa, se kterým se bude pracovat. Tato adresa je přivedena na vstup dekodéru. Dekodér pak podle zadané adresy vybere jeden z adresových vodičů a nastaví na něm hodnotu logická 1. Podle toho, jak jsou zapojeny jednotlivé paměťové buňky na příslušném řádku, který byl vybrán dekodérem, projde resp. neprojde hodnota logické jedničky na datové vodiče. Informace je dále na koncích datových vodičů zesílena zesilovačem. V případě, že hodnota logická jedna projde přes paměťovou buňku, obdržíme na výstupu hodnotu bitu 1. V opačném případě je na výstupu hodnota bitu 0.

Zcela analogický je postup i při zápisu hodnoty do paměti. Opět je nejdříve nutné uvést adresu paměťového místa, do kterého se bude zapisovat. Dekodér vybere adresový vodič příslušný zadané adrese a nastaví na něj hodnotu logická 1. Dále se nastaví hodnoty bitů b₁ až b₄ na hodnoty, které se budou do paměti ukládat. Tyto hodnoty jsou potom uloženy do paměťových buněk na řádku odpovídajícím vybranému adresovému vodiči.

Paměti ROM

(Read Only Memory)

Paměti ROM jsou paměti, které jsou určeny pouze pro čtení informací. Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě a potom již není možné žádným způsobem jejich obsah změnit. Jedná se tedy o statickou, energeticky nezávislou paměť určenou pouze ke čtení. Slouží k uchování rezidentních programů:

- testovací program základních technických prostředků počítače

- zaváděcí rutina OS (tzv. technický zavaděč)

- obslužné programy základních technických prostředků počítače a jeho standardních přídavných zařízení (tzv. BIOS – Basic Input Output Systém).

Při výrobě tohoto typu paměti se používá nejčastěji některé z následujících realizací paměťových buněk.

Paměťová buňka paměti ROM může být realizována jako dvojice nespojených vodičů a vodičů propojených přes polovodičovou diodu.

V prvním případě nemůže žádným způsobem hodnota logická jedna přejít z adresového vodiče na vodič datový. Jedná se tedy o buňku, ve které je permanentně uložena hodnota 0. V případě druhém hodnota logická 1 přejde z adresového vodiče přes polovodičovou diodu na vodič datový. Toto zapojení představuje tedy paměťovou buňku s hodnotou 1. Dioda je zapojena tak, aby hodnota logická 1 mohla přejít z adresového vodiče na datový, ale nikoliv v opačném směru, což by vedlo k jejímu šíření po velké části paměti.

Jednotlivé buňky paměti ROM je také možné realizovat pomocí tranzistorů, a to jak v technologii TTL, tak v technologiích MOS. Její realizace v technologii TTL je uvedena na následujícím obrázku.

V tomto případě je na datový vodič neustále přiváděna hodnota logická 1. Pokud dojde k vybrání adresového vodiče a tím k umístění hodnoty logická jedna na tento vodič, tak v případě, že je tranzistor T spojen s tímto adresovým vodičem, dojde k jeho otevření a tím k propojení datového vodiče se zemí. Na takto propojeném datové vodiči se potom objeví hodnota logická 0 a tato buňka představuje uložení hodnoty bitu 0. U buněk, jejichž tranzistor není spojen s adresovým vodičem, nemůže nikdy dojít k otevření tohoto tranzistoru a tím ani ke spojení datového vodiče se zemí. V této buňce je tedy neustále uložena hodnota 1.

Zcela analogicky pracuje i buňka paměti ROM zapojená pomocí tranzistorů v některé z technologií MOS.

Tranzistory připojené k napájecímu vodiči plní pouze úlohu rezistorů podobně jako u buňky v předešlém případě. Samotná buňka pracuje na stejném principu, který byl popsán u buňky v technologii TTL.

Paměti PROM (Programable Read Only Memory)

Paměť PROM neobsahuje po vyrobení žádnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby provedl příslušný zápis informace. Tento zápis je možné provést pouze jednou a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM. Paměti PROM představují statické a energeticky nezávislé paměti.

Buňku paměti je možné realizovat podobně jako u paměti ROM. Při výrobě je vyrobena matice obsahující spojené adresové vodiče s datovými vodiči přes polovodičovou diodu a tavnou pojistku z niklu a chromu (NiCr). Takto vyrobená paměť obsahuje na začátku samé hodnoty 1.

Zápis informace se provádí vyšší hodnotou elektrického proudu (cca 10 mA), která způsobí přepálení tavné pojistky a tím i definitivně zápis hodnoty 0 do příslušné paměťové buňky.

Paměti typu PROM se také realizují pomocí bipolárních multiemitorových tranzistorů, jak je uvedeno na následujícím obrázku

Takto realizovaná paměť PROM obsahuje pro každý adresový vodič jeden multiemitorový tranzistor. Každý z těchto tranzistorů obsahuje tolik emitorů, kolik je datových vodičů. Při čtení z paměti je opět na příslušný adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která způsobí, že tranzistor se otevře a ve směru kolektor emitor začne procházet elektrický proud. Jestliže je tavná pojistka průchozí, procházející proud otevře tranzistor, který je zapojen jako invertor, a na výstupu je přečtena hodnota 0. Jestliže tavná pojistka byla při zápisu přepálena, tzn. je neprůchozí, nedojde k otevření tranzistoru a na výstupu je přečtena hodnota 1.

Paměť PROM pracující na tomto principu má po svém vyrobení ve všech buňkách zapsánu hodnotu 0 a při jejím programování se do některých buněk přepálením tavné pojistky zapíše hodnota 1.

Mazatelné paměti PROM

Paměti EPROM (Eraseable Programable Read Only Memory)

Paměť EPROM je statická energeticky nezávislá paměť, do které může uživatel provést zápis. Zapsané informace je možné vymazat působením ultrafialového záření. Tyto paměti jsou realizovány pomocí speciálních unipolárních tranzistorů, které jsou schopny na svém přechodu udržet elektrický náboj po dobu až několika let. Tento náboj lze vymazat právě působením UV záření. Paměti EPROM jsou charakteristické malým okénkem v pouzdře integrovaného obvodu obsahujícího tuto paměť. Pod okénkem je umístěn vlastní paměťový čip a to je místo, na které směřuje při vymazávání zdroj UV záření. Při práci bývá tento otvor většinou přelepen ochranným štítkem, aby nedocházelo ke ztrátám informace vlivem UV záření v ovzduší.

Zapojení jedné buňky paměti EPROM je podobné jako u paměti EEPROM (viz dále).

Paměti EEPROM (Electrically EPROM)

Tento typ paměti má podobné chování jako paměti EPROM, tj. jedná se o statickou energeticky nezávislou paměť, kterou je možné naprogramovat a později z ní informace vymazat. Výhodou oproti EPROM pamětem je, že vymazání se provádí elektricky a nikoliv pomocí UV záření, čímž odpadá nepohodlná manipulace s pamětí při jejím mazání.

Při výrobě pamětí EEPROM se používá speciálních tranzistorů vyrobených technologií MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor). Jedná se o tranzistory, na jejichž řídící elektrodě je nanesena vrstva nitridu křemíku (Si₃N₄) a pod ní je umístěna tenká vrstva oxidu křemičitého (SiO₂). Vlastní buňka paměti EEPROM pak pracuje na principu tunelování (vkládání) elektrického náboje na přechod těchto dvou vrstev.

Při zápisu dat se přivede na příslušný adresový vodič záporné napětí -U a datový vodič buněk, do nichž se má zaznamenat hodnota 1, se uzemní. Tranzistor se otevře a vznikne v něm náboj, který vytvoří velké prahové napětí. Při čtení se přivede na adresový vodič záporný impuls. Tranzistor s malým prahovým napětím se otevře a vede elektrický proud do datového vodiče, zatímco tranzistor s velkým prahovým napětím zůstane uzavřen.

Vymazání paměti se provádí kladným napětím +U, které se přivede na adresové vodiče. Tunelovaný náboj se tím zmenší a prahové napětí poklesne, čímž je paměť vymazána.

Paměti Flash

Flash paměti jsou obdobou pamětí EEPROM. Jedná se o paměti, které je možné naprogramovat a které jsou statické a energeticky nezávislé. Vymazání se provádí elektrickou cestou, jejich přeprogramování je možné provést přímo v počítači. Paměť typu Flash tedy není nutné před vymazáním (naprogramováním) z počítače vyjmout a umístit ji do speciálního programovacího zřízení.

Paměti RAM

Paměti RAM jsou určeny pro zápis i pro čtení dat ,Jedna se o paměti ,které jsou energeticky závisle .Podle toho ,zda jsou dynamické nebo statické ,jsou dále rozděleny na

DRAM -Dynamické ram

SRAM- statické

Paměti SRAM (static random Access memory)

(obrázek)

Jednotlivé paměťové buňky bývají uspořádány do matice ,jejich výběr je prováděn přes řádkové a sloupcové vodiče.Paměť je tvořena klopným obvodem se dvěma stavy .Přes výběr řádku je zapsána je zapsána informace připojena na datové vodiče . adresace paměťové matice je zapisována přes dekodér řádku a dekodéru sloupců ,data jsou v budících obvodech a přivedena na datovou sběrnici . součet řádkových a sloupcových vodičů udává šířku adresového slova.

U SRAM pamětí se používá dvou datových vodičů. Vodič Data je určen k zápisu do paměti

Vodič značený jako Data se plíva ke čtení .Hodnota na tomto vodičce vždy opačná než hodnota uložená paměti. Takže na konci je nutno ji ještě negovat.Při zápisu se na adresový vodič umístí hodnota logická 1. Tranzistory T1 a T2 se otevřou . na vodič data se přivede zápisová hodnota (např.1).Tranzistor T1 je otevřen, takže jednička na vodiči Data otevře tranzistor T4 a tímto dojde k uzavření tranzistoru T3 .Tento stav odvodu představuje uložení hodnoty 0 do paměť. Zcela analogický tato buňka pracuje i při zápisu hodnoty 1.rozdíl je pouze v tom , že tranzistor T4 zůstane uzavřen a to způsobý otevření tranzistoru T3.

Při čtení je opět na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, což opět způsobý otevření tranzistoru T1 a T2 . Jestliže byla v paměti zapsána hodnota 1,je tranzistor T4 otevřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 0),Tuto hodnotu obdržíme na vodiči Data . Opět zcela analogicky v případě uložené hodnoty 0 , kdy tranzistor T4 je uzavřen(Tj. na jeho výstupu je hodnorta1)

Poznámka :Tranzistor T5 a T6 plní poze funkci rezistoru.

Paměti SRAM je možné uskutečnit i v TTL. Buňka takovéto paměti pracuje na podobném principu jako buňka v Technologii MOS.

Obrazek

Paměťi SRAM jsou výhodné zejména pro svou nízkou přísunovou dobu (4-20ns) .Jejich nevýhodou je naopak vývyšší složitost a to z toho plynoucí vyšší výrobní náklady . Vsoučasné obě jsou paměti sram používany především pro realizaci pamětí typu cach, jejíchž kapacita je ve srovnání s operační pamětí několikrát nižší.

Paměti DRAM(Dynamic Random access Memory)