Жартылай өткізгішті жадтайтын құрылғылар

     5.  ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІ ЖАДТАЙТЫН ҚҰРЫЛҒЫЛАР

    5.1. Жадтайтын құрылғылардың параметрлері және жіктелуі 
               

ЭЕМ-нің ең негізгі функционалды бөліктерінің бірі, ақпаратты қабылдау, сақтау, шығаруға арналған – командалар мен деректер кодаларын жадтайтын құрылғысы(ЖҚ) болып табылады. ЖҚ-дағы(жадыдағы) ақпарат ұяшықтарда екілік кодалар түрінде сақталады. Ақпараттың санының өлшем бірлігі, логикалық “0” немесе логикалық “1” мәндерін қабылдайтын, бит болып табылады. Әдетте 1 битке тең ақпарат, жады элементі (ЖЭ) деп аталатын, қарапайым ұяшықта сақталады. ЖҚ-ның әр ұяшығының өз адресі бар, ол оны белгілі бір координат жүйесінде анықтайды(идентифицирлейді). ЖҚ-да ақпаратты сақтаудың ең аз адрестелетін бірлігі болып, 8 ақпараттық биттен тұратын, байт есептеледі.

ЖҚ-да негізгі операциялар жадыға ақпаратты енгізу – жазу және жадыдан ақпаратты таңдау – оқу болып есептеледі. Бұл операциялар жадыға қатынас құрғанда орындалады. Бұл кезде деректердің кейбір, ЖҚ-ның әр типі үшін әртүрлі, бірліктері(бөліктері) жазылады немесе оқылады. Мұндай бірлік, мысалы байт, машиналық сөз немесе деректер блогы болуы мүмкін.

ЖҚ-ның негізгі параметрлеріне жадының сыйымдылығы және шапшаңдылығы, сондай-ақ деректер бірлігін сақтаудың үлестік құны (жинақтаушының, тасушыларымен қоса, бағасының сақтау бірлігіне,  яғни байтқа немесе мегабайтқа қатынасы) жатады. ЖҚ-ның бұл параметрлерінің мәндеріне ЭЕМ-нің аппараттық және программалық құралдарын пайдаланылу тиімділігі тәуелді болады. ЖҚ-ның сыйымдылығы және шапшаңдылығының артуымен ЭЕМ-нің техникалық және эксплуатациялық сипаттамалары, ең алдымен оның өнімділігі жақсарады.

ЖҚ-ның  “С” сиымдылығы  сақталатын ақпараттың максималды көлемін көрсетеді және жады ұяшықтарының санымен анықталады. ЖҚ-ның сыйымдылығы биттермен немесе, ұзындылығы (разрядтылығы L) көрсетілген, сөздер санымен N өлшенеді. Үлкен көлемді ақпаратты өлшеу үшін кило (К) және мега (М) өлшемдері пайдаланады, яғни 1 Кбит = 1024бит және 1 Мбит = 1048576 бит. Сақталатын сөздердің саны мен разрядтылығы ЖҚ ұйымдастырылуына тәуелді (NхL). Мысалы, сиымдылығы С = 16 Мбит ЖҚ-н таңдауды ұйымдастыру келесідей: 1х16 М, 2х8 М, 4х4 М, 8х2 М немесе 16х1 М болуы мүмкін. Мұнда ЖҚ-ның ұйымдастырылуына байланысты ақпаратты жазу-оқу операциялары жадының бір (бірразрядты таңдау) немесе бірнеше (сөздік таңдау) есте сақтау элементтерінде орындалады. Сөздік таңдауда бір мезгілде сөз немесе оның, жадының 2, 4, 8 және  т.с.с. есте сақтау элементтерінде сақталынған, бөлігі таңдалынады.

Шапшаңдылық, қатынау уақытымен tқат, жазудың немесе оқудың физикалық процесстерінің ұзақтылығымен және, оқыған кездегі бұзылған ақпаратты қайта қалпына келтіруге қажетті, tрег регенерация уақытымен анықталады. ЖҚ-ның кейбір түрлерінде (мысалы, статикалық типті ЖҚ-да), оқу кезінде ақпарат бұзылмайды, сондықтан оларда регенерация операциясы орындалмайды, сол себепті   tрег = 0. Қатынау уақыты деп, деректерді жазуға немесе оқуға рұқсат сұрату сигналы берілген сәттен пайдалы ақпаратпенен алмасудың басталуына дейінгі кідірістің орташа мәнін айтады.

Жоғарыда айтылған параметрлерден басқа ЖҚ-ның конструктивтік ерекшеліктерін және өзгеде қасиеттерін сипаттайтын параметрлері бар, мысалы, энерготәуелділігі (сыртқы қорек көзі өшірілгендегі ақпаратты сақтау мүмкіндігі), сенімділігі (деректерді сақтаудың ақиқаттығы, сыртқы әсерлерге төзімділігі), сақтау уақыты, габариттік өлшемдері, салмағы және т. с. с. Бұл параметрлер әртүрлі ЖҚ-лар үшін әртүрлі болады және сұлбатехникалық пен конструктивтік құрылу ұстанымдарына (принциптеріне), жасалуының технологиялық әдістеріне және олардың жасалынатын физикалық-техникалық материалдарына тәуелді. Қазіргі ЭЕМ құрамында тағайындалуы, қатынас құру әдістері, ақпаратты сақтау және әрекет ету, т.с.с. ұстанымдары бойынша жіктелетін әртүрлі ЖҚ типтері қолданылады.

Сыйымдылығы үлкен цифрлық жүйелерде, мысалы әмбебап ЭЕМ-дерде, ЖҚ-лар сыртқы және ішкі жадылар деп бөлінеді, олар әрекет ету ұстанымдарымен және сақталатын ақпарат көлемімен ерекшелінеді. Ішкі ЖҚ-ларға, қазіргі дербес компьютерлердің (ДК) жүйелік тақшасында орналастырылатын, электрондық жартылайөткізгішті ЖҚ-лар жатады. Үлкен көлемді ақпаратты сақтауға арналған сыртқы ЖҚ-ларға магниттік (дискілік және таспалық(ленталық)) және оптикалық ЖҚ-лары жатады. Олардың ақпаратты жазу, сақтау және оқу ұстанымдары әртүрлі болып келеді. Сыртқы ЖҚ-лар ДК-ның жүйелік блогында, немесе жеке корпустарда орналастырылуы мүмкін.

Қатынас құруды ұйымдастыру (таңдау) әдістері бойынша жадтар ерікті(тікелей), тура және тізбектей қатынаулары бар ЖҚ-лар деп бөлінеді. Ерікті қатынауы немесе ерікті таңдамасы бар ЖҚ (ЕТЖҚ) жады ұяшықтарының матрицалық жиынынан тұрады. ЕТЖҚ-да қатынау уақыты және, демек, ақпаратты жазу немесе оқу үшін кез-келген ұяшыққа қатынасу циклы, ұяшықтың матрицалық жиынындағы орналасу мекеніне (адресіне) тәуелсіз. Тура қатынауы бар ЖҚ-да (оған дискілердегі ЖҚ-лар-сыртқы жад жатады) ұяшықтарға емес, басы және соңы арнайы символдармен жиектеуленген(обрамляемых) деректер блогына(файлдарға) қатынау ерікті ретпен жасалады. Дискілік жадының ішкі жадымен салыстырғанда бағасы арзан, бірақ оның қатынау уақыты біршама артық. Тікелей қатынасты дискілік жады ішкі жады секілді ДК-дің міндетті атрибуты 3болып табылады.

Тізбекті қатынауы бар ЖҚ-да (мысалы, магнитті таспалық тасушылардағы ЖҚ-да) ақпарат, дискілік ЖҚ-да сияқты, бір тасушының ішінде тізбекті адрестері бар блоктар түрінде сақталады. Осындай типті ЖҚ-да кез-келген блокқа, оның берілген адресі бойынша қатынас құру үшін, магнитті лента (томның) басының маркерін табу керек. Осыдан соң барлық алдыңғы блоктарды тізбектей(бос оқуменен) қарап шығу керек, бұл қатынау уақытының блок адресіне тәуелділігін тудырады. Елеулі кемшілігіне (қатынау уақытысының аса үлкендігіне және алмасу жылдамдығының өте төмендігіне) қарамастан тізбекті қатынауы бар ЖҚ, бағасының арзан болуы себепті, жедел қатынас құруды талап етпейтін үлкен көлемді ақпараттарды (архивтерді) сақтау үшін қолданылады.

Тізбекті ЖҚ-ға сонымен қатар процессор құрамындағы регистрлік ЖҚ, зарядтық байланысы бар құралдардағы ЖҚ (ЗБҚ) және терминалдар мен басқада есептеу құрылғыларында (мысалы, шалғай құрылғылар контроллерінде) ақпаратты (шапшаңдығы әртүрлі құрылғылар арасында алмастырған кезде) сақтау үшін қолданылатын буферлік жады жатады. Буферлік жады мысалдарына дисплейлік адаптердің бейнежадысы, FIFO - “бірінші келіп–бірінші шығу” (First in–first out) тәртібімен жұмыс істейтін COM–порттардың буфері және стекті ЖҚ-лары жатады, мұнда сөздер жазба ретіне кері кезекпенен оқылынады, яғни, “соңынан келіп – бірінші шығу”–  “Last in – first out” (LIFO) тәртібі жүзеге асады.

Бейнежадыда сөздерге қатынас құру біртіндеп, жады сыйымдылығымен анықталатын, тұрақты периодпенен жүзеге асырылады. Дисплейлі адаптер үшін қажетті жадының сыйымдылығы бейнережимімен және графикалық адаптердің типімен анықталады. Дисплейлік адаптердің бейнежадысы растрлық бейне кескінін құрастыру және оны мониторға тұрақты циклмен шығару үшін қолданылады(бейне кескінін регенерациялау-қайта қалпына келтіру).

Еркін таңдайтын ЖҚ-ларда ұяшықта сақталатын ақпаратқа оның адресі бойынша қатынас құрылады. Адрестіктерден ассоциативті ЖҚ-лардың айырмашылығы – мұнда ақпаратты іздеу жадыдағы орны (адресі немесе кезектегі орны) бойынша емес, белгілі бір ассоциативті белгісі бойынша жүзеге асады. Осыған орай кіріс сөздің берілген белгісіне (тегтер адресімен) сөздердің белгілі бір өрістерінің(тегтерінің) сәйкестілігі салыстырылады.

Ішкі ЖҚ-лар орындалатын функцияларына байланысты жедел және тұрақты деп бөлінеді. Жедел ЖҚ(ЖЖҚ)-лар кез-келген уақытта процессорменен өзгертілетін ақпаратты оқу, жазу, сақтау қызметін атқарады. Тұрақты ЖҚ, процессор тек қана оқитын, тұрақты жазылынған ақпаратты тек қана шығарады немесе сақтайды. Осылайша, ЖЖҚ- және ТЖҚ-да сақталатын ақпаратқа процессор тікелей қатынас құратын болады.

ЖЖҚ-ң кез-келген ұяшығына қатынас құрудағы қатынау уақыты, ұяшықтың жадтағы орнына қарамастан, бірдей, сондықтан ЖЖҚ-ны еркін қатынайтын ЖҚ (Random Access Memory, RAM) деп атайды. Қатынаудың еркінділігі деп, оқу және жазу операцияларының, ЖЖҚ-ның кез келген ұяшығынан еркін ретпен орындалу мүкіндігі түсіндіріледі. ТЖҚ-да (Read Only Memory, ROM) еркін таңдаумен жұмыс істейді, яғни барлық ұяшықтарға бірдей қатынас құрады. Бірақ ТЖҚ-да жүйенің жұмыс істеу кезінде бұрынырақ жазылынған ақпарат өзгертілмейді немесе оны алмастыру оқу операциясына қарағанда көп уақытты талап етеді.

Жадтайтын элементтердің (ЖЭ) жұмыс ұстанымы және олардағы ақпараттың сақталу принципі бойынша жедел ЖҚ-лар динамикалық және статикалық типті жадтар деп бөлінеді. Динамикалық ОЖҚ-ларда, оларға жазылған ақпаратты сақтау және қайта қалпына келтіру үшін, период сайын регенерациялау процесі орындалуы қажет. Ал статикалық ЖЖҚ-ларда, динамикалықтан айырмашылығы, сақтау режимінде, б. а. оған қатынас құрылмаған (бірақ, қорек көзі қосылынған) кездің өзінде, ақпарат ұзақ уақыт сақталады (регенерациялаусыз).

Еркін қатынауы бар ЖЖҚ бірнеше модулдерден (немесе блоктардан) тұрады, олар, процессорға өте жақын ету мақсатымен, жүйелік тақшада орналастырылады. Бұл жақындату (физикалықта және логиқалықта) бірінші ретте ЖЖҚ-ның, жазылатын немесе оқылатын деректер ағынының жылдамдығымен анықталатын, өнімділігін арттыруға бағытталған. ЖЖҚ-ның өнімділігі қолданылатын жады элементтері типіне және жылдамдығына, жады шиналарының разрядтылығына және кейбір архитектуралық шешімдерге (жады модулінің ішіндегі конверизациялау нұсқаларына) байланысты.

5.2. Еркін таңдайтын жартылай  өткізгішті ЖҚ-лардың модульдерін   
                ұйымдастыру

Жалпы жағдайда еркін қатынайтын немесе еркін таңдайтын ЖҚ  (ЕТЖҚ), биполярлы немесе МДЖ технологиясына негiзделген ҮИС және АҮИС түрiнде жүзеге асырылатын, бiртиптi шағынсұлбалардан жобаланатын бiрнеше модульдерден тұрады.

Модульдердiң алуан түрлерi белгiлi, олар негізінде деректер тізбектерінің жинағымен ажыратылады. Кейбiр модульдер деректердi жазғанда да және оқығанда да деректер тізбегінің бiр жинағын (комплектiсін) қолданады. Басқа модульдерде деректер жазылу кезiнде деректер тізбектерінің бiр жинағы арқылы келiп түседi де, ал оқылғанда басқа жинағы арқылы берiледi. Осы модульдердiң барлығында  да, деректер тізбектеріндегі монтаждық логиканы рұқсат ететiн, вентильдер қолданылады. Жады модулi деректердi, тек оқылу кезiнде ғана, шығыс деректер тізбектеріне жiбередi, басқа жағдайларда бұл тізбектерді басқа жады модульдерi немесе осы тізбектерге қосылған құрылғылар пайдалана алады. Модульде оқылу операциясы орындалмаған кезде, шығыс деректер тізбектерінің күйi монтаждық логиканың түрiне байланысты болады. Мысалы, ашық коллекторлы ТТЛ сұлбаларындағы монтаждық ЖӘНЕ үшiн бос тізбектің күйi логикалық “1” - ге сәйкес келу керек, яғни оған басқа құрылғы немесе жады модулi өзiне керектi күйдi бере алады. Монтаждық НЕМЕСЕ үшiн бос күй логикалық “0” болу керек. Үштұрақтылы монтаждық логика үшiн бос күй, деректер тізбегімен байланысты болдырмайтын, үшiншi жоғарыомды күйге сәйкес келу керек. Егер модульдiң таңдалуы іске асырылмаса немесе таңдалған модульде “Жазу” операциясы орындалса, шығыс деректер тізбегі әрдайым бос күйде болады.

Салыстырмалы қарапайым басқару  логикасына  ие болатын статикалық  жады модулiнiң ұйымдастырылуын (5.1-сурет) қарастырайық. Өзiне ғана тән құрылымдық ерекшелiктерi бар динамикалық жады үшiн арналған басқару логикасы төменде қараластырылады. Жады микросхемаларының матрицасы (массивi), басқару логикасы және шинаның интерфейсi статикалық типтi ЕТЖҚ-ның негiзгi функционалды блоктары болып табылады.

      5.1-сурет. Статикалық типтi ЕТЖҚ модулiнiң ұйымдастырылуы

Басқару логикасы, орталық процессормен немесе жадыға тiкелей қатынас құру модулiмен қоздырылған(инициирленген), оқу және жазу бұйрықтарын қабылдап, осыдан кейiн келесі (немесе ) және W/R сигналдарын микросхемалар матрицасына (АҮИС) жiбередi, мұндағы   (немесе ) – микросхемалардың іске қосылуына рұқсат ететін сигнал; W/R – деңгейi операцияның түрiн ( оқу немесе жазу) анықтайтын сигнал.

Жадыға адрес жүйелiк адрестік шинадан (АШ) келiп түседi. Адрестің үлкен (n-k) биттерi модульді таңдауды анықтау және АҮИС матрицасының жолын(қатарын) рұқсат ету  үшiн басқару логикасына, ал кiшi k биттерi, матрицаның рұқсат етiлген қатарында АҮИС-тер жиынындағы керектi сөздi таңдау үшiн, жады микросхемаларының барлығына жiберiледi. Модуль әдетте АҮИС-тердің бiр жиынының сыйымдылығынан артық сөздердiң көлемiн сақтайды.

Шина интерфейсiнiң логикасы, жадыға қатынас құру кезiнде, сөз бен адрестердiң жiберiлу бағытын басқарады. Оқылу кезiнде (W/R = 0) сөз ( рұқсат беру сигналы бойынша) таңдалған АҮИС-тер жиынынан жүйелiк шина бағытына қарай жiберiледi, ал жазу кезiнде (W/R=1) ол микросхема матрицасына келiп түседi.

Микросхеманың әр ұяшығында сөздiң бір бөлiгi сақталады. Сөздiң ұзындығы деректер шинасының разрядтылығына сәйкес келу керек, ол қазiргi кездегi модульдерде 1, 2, 4 және 8 байтқа тең. Негiзгi ақпараттық биттерден басқа модульдер әртүрлi ұйымдастырылған қосымша биттерге ие болуы мүмкiн [8]. Модульдерді разрядтылығы 8, 16, 32 немесе 64 бит бақылау биттерi жоқ модульдер және разрядтылығы 9, 18, 36 немесе 72 бит тепе-теңдік(паритеттiк) бақылауы орындалатын модульдер деп ажыратады. Бұл модульдер, әр байт үшiн бөлек адресті таңдау тізбектерінің көмегiмен, байт бойынша тәуелсiз қатынас құруға мүмкiндiк бередi. Паритеттiк бақылауы бар модульдерде бақылау биттерi қатынас құру кезiнде сәйкес байттарға қосылып тіркелген.

Модульдегi сөздiң ұзындығы микросхеманың ұяшығындағы жадтайтын элементтер(ЖЭ) санының және матрицаның жолындағы АҮИС-тер санының көбейтiндiсiмен анықталады. Сонымен, жады модулiнiң сөз өлшемiмен есептегендегi көлемi АҮИС құрамындағы ұяшықтардың санының және жады микросхемаларының матрицасы бағанындағы АҮИС санының көбейтiндiсiне тең. Жады модулiнiң сыйымдылығын ұлғайту үшiн сөздердiң ұзындығымен қатар сақталынатын сөздер мөлшерiн арттыру керектiгi анық. Сөз ұзындығының арттырылуын жады микросхемалары матрицасының жолдарындағы  АҮИС-тер санын арттыру және оларды параллельді қосу арқылы жүзеге асыруға болады.  Бұл үшiн барлық параллельді қосылған АҮИС-тердің адрестік кiрiстерiне бiрдей адресті жiберсе жеткiлiктi.