Яче́йка па́мяти - минимальный адресуемый элемент запоминающего устройства ЭВМ.

Ячейки памяти могут иметь разную ёмкость (число разрядов, длину). Современные запоминающие устройства обычно имеют размер ячейки памяти равным одной из степеней двойки: 8 бит, 16 бит, 32 бита, 64 бита. В ранних ЭВМ использовались и более экзотические размерности, например 39 (БЭСМ-1) или 48 (БЭСМ-6). В общем случае длина ячеек памяти может не совпадать с машинным словом, тогда данные записываются в две или четыре соседние ячейки памяти.

Ячейки памяти имеют адрес (порядковый номер, число) по которому к ним могут обращаться команды процессора. Существует несколько различных систем адресации памяти.

Ячейки памяти, построенные на полупроводниковых технологиях, могут быть статическими (SRAM), то есть не требующими регулярного обновления, и динамическими (DRAM), требующими периодической перезаписи для сохранения данных. Как правило, при помощи статических ячеек организуются кэши, при помощи динамических - ОЗУ.

Оп.Пам. Работу ячейки памяти можно представить таким образом. Конденсатор можно представить в виде ёмкости, в которую наливается вода. Транзистор в виде ключа или крана, который открывает или перекрывает трубу, по которой течёт вода в ёмкость, а устройство регенерации в виде источника воды. В нужный момент кран открывается и это служит признаком того, что необходимо пополнить ёмкость водой. Конечно, рассматривая работу ячейки памяти таким образом, можно представить, что ёмкость с водой немного дырявая. Это утверждение имеет под собой основание, так как конденсатор, в случае хранения «1» и до тех пор, пока она записана, должен постоянно подзаряжаться схемой регенерации.

Ячейка памяти хранит в себе один бит информации, для того чтобы динамическая память хранила бы в себе мегабайты, а сейчас уже и гигабайты данных, необходимо чтобы все эти элементарные по объёму ячейки памяти объединялись между собой в большие массивы, накопители или матрицы памяти.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Информация и информационные процессы в природе, обществе, технике. Информационная деятельность человека

Логические операции сложение умножение отрицание.. в логике логическими операциями называют действия вследствие которых.. логические операции с понятиями такие мыслительные действия результатом которых является изменение содержания или..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Информация и информационные процессы в природе, обществе, технике. Информационная деятельность человека
В современном мире роль информатики, средств обработки, передачи, накопления информации неизмеримо возросла. Средства информатики и вычислительной техники сейчас во многом определяют научно-техниче

Информация в повседневной жизни человека
Информация всегда играла чрезвычайно важную роль в жизни человека. Общеизвестно высказывание о том, что тот, кто владеет информацией, тот владеет и миром. Иное сообщение стоит дороже жизни

Новые информационные технологии
Информационная технология является наиболее важной составляющей процесса использования информационных ресурсов общества. К настоящему времени она прошла несколько эволюционных этапов, смена которых

История развития информатики как науки
Информатика – молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности.

Предмет науки информатики
Информатика – это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования э

Информация, ее характеристики и свойства
Одним из важнейших параметров информации является её адекватность, т.е. степень соответствия создаваемого с помощью полученной информации образа реальному объекту (процессу, явлению). Различаются т

Элементная база современных компьютеров
Современная классификация ЭВМ В настоящее время в мире продолжают работать и производятся миллионы вычислительных машин, относящихся к различным поколениям, типам, классам, отличающихся св

В каждом современном компьютере используется логическая система, основой которой являются два логических значения: 1 - истина, 0 - ложь. Был найден технический способ реа

Архитектура ЭВМ
Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом по

Магистрально-модульный принцип построения компьютера
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модуль-ный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и

Информационная магистраль
Информационный хайвей (информационная магистраль, Information superhighway, infobahn) - термин, популярный в 90-е годы. Обозначал революционное развитие информационных сетей, в частности Интернета.

Основные компоненты компьютера
По своему назначению компьютер - это универсальное техническое средство для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер - это модель человека, работающего с информацией

Процессор
Процессор - это «мозг» компьютера. Процессором называется устройство, способное обрабатывать программный код и определяющее основные функции компьютера по обработке информации. Конструктив

Внутренняя память компьютера
Память компьютера (Memory) - устройство для запоминания данных. В зависимости от характера использования различают внутреннюю или внешнюю память. Внутренняя память Оперативная пам

Внешняя память компьютера
Внешняя память компьютера Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен комп

Устройства ввода-вывода информации
Человек взаимодействует с информационными системами главным образом через устройства ввода-вывода (input-output devices). Прогресс в области информационных технологий достигается не только благодар

Принтеры
Принтер (от англ. print - печать; син. печатающее устройство) - периферийное устройство компьютера, предназначенное для перевода текста или графики на физический носитель из электронного вида малым

Мониторы
Монитор - это устройство вывода графической и текстовой информации в форме, доступной пользователю. Мониторы входят и состав любой компьютерной системы. Они являются визуальным каналом связи со все

Что такое абак
Абак (от греч. abax, abakion, лат. abacus - доска, счетная доска) - приспособление для арифметических вычислений, применявшееся с древних времен и затем в Западной Европе до 18 века. В абаке исполь

Счетная машина Блеза Паскаля
Первым изобретателем, механических счетных машин, стал гениальный француз Блез Паскаль. Сын сборщика налогов, Паскаль задумал построить вычислительное устройство, наблюдая бесконечные утомительные

Арифмометр Лейбница
Арифмометр (от греч. αριθμός - «число», «счёт» и греч. μέτρον - «мера», «измеритель») - настольная (или портативная) механическая вы

Идеи Чарльза Бэббиджа
Ра́зностная маши́на Чарльза Бэббиджа - механический аппарат, изобретённый английским математиком Чарльзом Бэббиджем, предназначенный для автоматизации вычислений путём аппроксимации функц

Вклад в программирование Ады Лавлейс
Графиня Лавлейс, дочь Байрона, известна прежде всего созданием описания вычислительной машины, проект которой был разработан Чарльзом Бэббиджем. В комментариях Лавлейс были приведены три первые в м

История создания эниак
Машина Эниак (ENIAC, аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель), подобно Марк-1 Говарда Эйкена, также предназначалась для решения

Рождение персонального компьютера
В 1975 году фотография комплекта Altair компании MITS была помещена на обложку январского номера журнала Popular Electronic. Этот комплект, который можно считать первым ПК, состоял из процессора 80

Элементарная логика
В отличие от естественных наук, компьютерные науки получили большой стимул от широкого и непрерывного взаимодействия с логикой. Особую роль в компьютерных науках играют доказательные методы разрабо

Аппаратная реализация логических схем
Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте. Все основные компоненты настольного компьютера на

Назначение процессора ЭВМ
Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрирует и выполняет команды программы, организует о

Информационная магистраль - общая шина
Процессор, оперативная память, контролеры внешних устройств (ВУ) внутри компьютера соединяются все вместе. Они находятся на одной общей информационной шине ПК, по которой информация может передават

Основные характеристики процессора
Процессор. Основные характеристики процессора Микросхема, реализующая функции центрального процессора персонального компьютера, называется микропроцессором. Обязательными компонентами микр

Адресное пространство процессора
Адресное пространство микропроцессора – общее количество адресов, выделяемых для обозначения внутренних регистров и устройств хранения данных, а также регистров внешних устройств, к которым относят

Разрядность процессора
Важным свойством микропроцессора является разрядность его шины данных и адреса. Выясним, почему это так. Важнейшим параметром, определяющим скорость работы любого процессора, является такт

Тактовая частота процессора
Тактовая частота процессора это количество синхронизирующих импульсов в секунду, эта характеристика определяет, сколько операций за единицу времени могут совершить блоки GPU. Чем частота выше, тем

Дискретность памяти
Преобразование информации из одной формы представления в другую называется кодированием. В компьютере для представления информации используется двоичное кодирование, так как удалось создат

Кеш память
Кэш или кеш (англ. cache, от фр. cacher - «прятать»; произносится - «кэш») - промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольше

Типы магнитных накопителей информации
Магнитные диски используются как запоминающие устройства,позволяющие хранить информацию долговременно, при отключенном питании. Для работы с Магнитными Дисками используется устройство, называемое н

Жесткий магнитный диск
Жесткие магнитные диски представляют собой несколько металлических либо керамических дисков, покрытых магнитным слоем. Диски вместе с блоком магнитных головок установлены внутри герметичного корпус

Гибкие магнитные диски
Одним из наиболее распространенных носителей информации являются гибкие магнитные диски (дискеты), или флоппи-диски. Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена из эласт

Файлы и каталоги
Файл (англ. file) - блок информации на внешнем запоминающем устройстве компьютера, имеющий определённое логическое представление (начиная от простой последовательности битов или байтов и заканчивая

Операционная система компьютера
Операционная система обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам. Процесс работы компьютера в определенном смысле

Основные функции операционных систем
В pаботе операционная система определяется так:``Я не знаю, что это такое, но всегда узнаю ее, если увижу"".Эта фраза была сказана в первой половине 70-х, когда операционные системыдействительн

Понятие алгоритма, свойства и виды алгоритмов
Алгоритмом называется точное и понятное предписаниe исполнителю совершить последовательность действий, направленных на решение поставленной задачи. Слово «алгоритм» происходит от имени математика А

Функция языка Basic
При описании синтаксиса функций используются следующие обозначения их аргументов: X и Y - произвольные числовые выражения. I и J - целые выражения. X$ и Y$ - строковые вы

База данных Access
СУБД Access- широко распространенное офисное приложение Microsoft Office. Microsoft Access служит удобным инструментом для ввода, анализа и представления данных и обеспечивает высокую скорость разр

Общая структурная схема процессора

Принцип фон Неймана

Лекция 3

Принцип фон Неймана. АЛУ. Программа как последовательность кодов команд. Адрес ячейки памяти. Регистры процессора. Как процессор складывает два числа.

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым, одним из отцов кибернетики Джоном фон Нейманом. Впервые эти принципы были опубликованы фон Нейманом в 1945 г. в его предложениях по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, т.е. с программой, запомненной в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства. В целом эти принципы сводятся к следующему:

1) Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода.

2) Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами.

3) Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой.

4) Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

5) Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Компьютеры, построенные на этих принципах, называются машинами фон‑Неймановского типа.

Процессор - центральная микросхема ЭВМ, осуществляющая операции по обработке информации и управляющая работой остальных устройств ЭВМ.

Процессор представляет собой микросхему с большим числом контактов, имеющую прямоугольную или квадратную форму и легко помещающуюся на ладони.

Изобретателем микропроцессора как схемы, в которую собрана практически вся основная электроника компьютера, стала американская фирма INTEL, выпустившая в 1970 году процессор 8008. С их появления и началась история ЭВМ четвертого поколения.

В своей работе процессор использует регистры - ячейки памяти, находящиеся внутри процессора. На рисунке приведена общая схема процессора.

Общая структурная схема процессора

Процессор разделен на две части:

операционное устройство (ОУ) и шинный интерфейс (ШИ) .

Назначение ОУ - выполнение команд, а ШИ подготавливает команды и данные для выполнения. ОУ содержит:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) - "отвечает" за выполнение команд,

устройство управления (УУ) - осуществляет выборку команд из памяти, пересылку их на АЛУ и перемещение полученных результатов в требуемую ячейку памяти;

10 регистров - применяются при вычислениях.

Эти устройства обеспечивают выполнение команд, арифметические вычисления и логические операции.

Три элемента ШИ - блок управления шиной, очередь команд и сегментные регистры - осуществляют следующие функции:

передачу данных на ОУ, в память и на внешние устройства ввода/вывода ;

адресацию памяти с помощью четырех сегментных регистров ;

выборку команд, требуемых для выполнения, из памяти в очередь команд .

Компьютер имеет два типа внутренней памяти. Постоянная память (ПЗУ или ROM - read-only memory). Она представляет собой специальную микросхему, из которой возможно только чтение, так как данные в ней специальным образом "прожигаются" и не могут быть модифицированы. Ее основное назначение: поддержка процедур начальной загрузки, выполнение различных проверок и т.д. Для целей программирования наиболее важным элементом ПЗУ является BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода/вывода.

Память, с которой имеет дело программист, называется ОЗУ (RAM - random access memory) - оперативное запоминающее устройство. Ее содержимое доступно как для чтения, так и для записи. Здесь хранятся программы и данные во время работы компьютера.

Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметико-логическое устройство (АЛУ). Его основой является электронная схема, составленная из большого числа транзисторов, называемая сумматором. Сумматором выполняются простейшие логические и арифметические операции над данными, представленными в виде двоичных кодов (нулей и единиц). К логическим операциям относятся логическое умножение (операция "И"), логическое сложение (операция "ИЛИ") и логическое отрицание (операция "НЕ"). Результатом операции логического умножения является 1, если все переменные, являющиеся исходными данными равны 1, и 0, если хотя бы одна из них равна 0. Вспоминая, что 1 моделируется электрическим сигналом, а 0 - отсутствием сигнала, можно сказать, что на выходе устройства будет электрический сигнал тогда и только тогда, когда сигнал будет иметься на каждом входе:

Результатом операции логического сложения является 0, если все исходные переменные равны нулю, и 1, если хотя бы одна из них равна 1. Результатом операции логического отрицания является 1, если на входе- 0, и 0, если на входе -1.

На основе этих трех операций можно производить арифметические действия над числами, представленными в виде нулей и единиц. Теоретической основой для этого являются законы, разработанные еще в 1847 году ирландским математиком Джорджем Булем, известные как Булева алгебра, в которой используются только два числа- 0 и 1. Ранее считалось, что эти работы Буля никому не нужны, и их автор подвергался насмешкам. Однако, в 1938 году американский инженер Клод Шеннон положил Булеву алгебру в основу теории электрических и электронных переключательных схем- сумматоров, создание которых и привело к появлению ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления.

Все остальные операции, производимые ЭВМ, сводятся к большому числу простейших арифметических и логических операций, аналогично тому, как операцию умножения можно свести к большому числу операций сложения.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство объединяется с управляющими устройствами в единую схему - процессор .

В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях. В принципе, все, что требуется от компьютерной памяти, - это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

Одним из основных элементов компьютера, позволяющим ему нормально функционировать, является память. Внутренняя память компьютера - это место хранения информации, с которой он работает. Внутренняя память компьютера является временным рабочим пространством; в отличие от нее внешняя память, такая как файл на дискете, предназначена для долговременного хранения информации. Информация во внутренней памяти не сохраняется при выключении питания.

Каждая ячейка памяти имеет адрес, который используется для ее нахождения. Адреса - это числа, начиная с нуля для первой ячейки, увеличивающиеся по направлению к последней ячейке памяти. Поскольку адреса - это те же числа, компьютер может использовать арифметические операции для вычисления адресов памяти.

Архитектура каждого компьютера накладывает собственные ограничения на величину адресов. Наибольший возможный адрес определяет объем адресного пространства компьютера или то, какой объем памяти он может использовать. Обычно компьютер использует память меньшего объема, чем допускается его возможностями адресации. Если архитектура компьютера предусматривает наибольшее адресное пространство, это накладывает суровые ограничения на возможности такого компьютера. Адреса в 8088 имеют длину 20 бит, следовательно, процессор позволяет адресовать два в двадцатой степени байта или 1024 К.

Устройство и принцип работы оперативной памяти

Оперативная память - это неотъемлемый компонент любой компьютерной системы, эта память хранит в себе данные, необходимые для работы всей системы в определённый момент времени. При создании чипов оперативной памяти используют динамическую память, которая медленнее, но дешевле чем статическая, которая используется при создании кеш памяти процессоров.

Из чего состоит ядро оперативной памяти

Ядро микросхемы оперативной памяти состоит из огромного количества ячеек памяти, которые объединены в прямоугольные таблицы - матрицы. Горизонтальные линейки матрицы называют строками , а вертикальные столбцами . Весь прямоугольник матрицы называться страницей , а совокупность страниц называется банком .

Горизонтальные и вертикальные линии являются проводником, на пересечении горизонтальных и вертикальных линий и находятся ячейки памяти .

Из чего состоит ячейка памяти

Ячейка памяти состоит из одного полевого транзистора и одного конденсатора . Конденсатор выполняет роль хранителя информации, он может хранить один бит данных, то есть либо логическую единицу (когда он заряжен), либо логический ноль (когда он разряжен). Транзистор выполняет роль электрического ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания.

Регенерация памяти

Конденсатор, который служит хранителем данных, имеет микроскопические размеры и как следствие маленькую ёмкость, и ввиду этого не может долго хранить заряд заданный ему, по причине саморазряда. Для борьбы с этой проблемой, используется регенерация памяти , которая, с определённой периодичностью считывает ячейки и записывает заново. Благодаря подобному явлению, эта память и получила название динамической.

Чтение памяти

Если нам нужно прочитать память, то на определённую строку страницы памяти, подаётся сигнал, который открывает транзистор и пропускает электрический заряд, который содержится (или не содержится) в конденсаторе на соответствующий столбец. К каждому столбцу подключен чувствительный усилитель, который реагирует на незначительный поток электронов выпущенных с конденсатора. Но тут есть нюанс - сигнал, поданный на строку матрицы, открывает все транзисторы данной строки, так как они все подключены на данную строку, и таким образом происходит чтение всей строки. Исходя из вышесказанного, становится ясно, что строка в памяти, является минимальной величиной для чтения - прочитать одну ячейку, не затронув другие невозможно.

Процесс чтения памяти является деструктивным, так как прочитанный конденсатор отдал все свои электроны, что бы его услышал чувствительный усилитель. И по этому, после каждого чтения строки, её нужно записать заново.

Интерфейс памяти

У интерфейсной части памяти следует выделить линии адреса и линии данных. Линии адреса указывают на адрес ячейки, а линии данных производят чтение и запись памяти.

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления. Техническим результатом является увеличение надежности в режиме хранения памяти. Устройство содержит коммутатор, N последовательных RC-цепей, асинхронный D-триггер, два двунаправленных ключа, три логических элемента ИЛИ-НЕ, мультиплексор, счетчик импульсов, два синхронных D-триггера. 1 ил.

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления. Известна ячейка памяти (см. а. с. СССР 1706362 от 02.04.90, МКИ Н 03 К 3/037, "Триггерное устройство", Еремин А.Н., Шишкин Г.И., опубл. 28.08.97, Бюл. 24), содержащая D-триггер, первый, второй и третий элементы ИЛИ-НЕ, элемент И-НЕ, двунаправленный ключ, резистор и конденсатор. Один из выводов резистора через конденсатор подключен к общей шине. Первый и второй входы первого элемента ИЛИ-НЕ соединены соответственно с первым установочным входом устройства и выходом второго элемента ИЛИ-НЕ. Первый и второй входы второго элемента ИЛИ-НЕ соединены соответственно со вторым установочным входом устройства и прямым выходом D-триггера. Тактовый вход D-триггера соединен с выходом третьего элемента ИЛИ-НЕ, первый и второй входы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов ИЛИ-НЕ. Выход двунаправленного ключа соединен с информационным входом D-триггера и другим выводом резистора, вход - с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ, а управляющий вход - с выходом элемента И-НЕ. Первый и второй входы элемента И-НЕ соединены соответственно с выходом третьего элемента ИЛИ-НЕ и с дополнительным входом устройства. Недостатком указанной ячейки памяти является малый объем хранимой информации. Известна ячейка памяти (см. патент РФ 2042268 от 28.06.91, МКИ Н 03 К 23/64, "Счетчик импульсов в коде Грея", Дикарев И.И., Шишкин Г.И., опубл. 20.08.95, Бюл. 23), содержащая разряды с нулевого по N-ый, последовательные RC-цепи по числу разрядов, демультиплексор, два коммутатора и в каждом разряде - асинхронный D-триггер и мультиплексор, содержащий два двунаправленных ключа и элемент ИЛИ-НЕ, входы которого являются адресными входами мультиплексора. В каждом разряде выходы двунаправленных ключей соединены с входом триггера и с соответствующим входом первого коммутатора, выход которого соединен с выходом второго коммутатора, входы которого соединены с первыми выводами соответствующих RC-цепей, вторые выводы которых соединены с общей шиной. Вход демультиплексора соединен с первой входной шиной, адресные входы - со второй входной шиной и с соответствующими адресными входами коммутаторов, а выходы - с первыми входами элементов ИЛИ-НЕ соответствующих разрядов, второй вход элемента ИЛИ-НЕ каждого разряда соединен с управляющим входом первого двунаправленного ключа и является входом разрешения записи информации, а выход соединен с управляющим входом второго двунаправленного ключа, вход которого соединен с прямым выходом триггера. Информация на второй входной шине изменяется при поступлении сигнала по первой входной шине. Вход первого двунаправленного ключа является информационным входом разряда ячейки памяти. Ячейка памяти является наиболее близкой по технической сущности к заявленному устройству и взята в качестве прототипа. Недостатком прототипа является сложность устройства. Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание ячейки памяти с более простой схемной реализацией при увеличении надежности в режиме хранения памяти. Технический результат достигается тем, что в ячейку памяти содержащую коммутатор, N последовательных RC-цепей, первые выводы которых соединены с соответствующими входами коммутатора, а вторые выводы - с общей шиной, асинхронный D-триггер, два двунаправленных ключа, выход первого из которых соединен со входом второго двунаправленного ключа и входом асинхронного D-триггера, прямой вход которого соединен с выходом второго двунаправленного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ-рого соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ-НЕ. Новым является то, что дополнительно введены мультиплексор, счетчик импульсов, два синхронных D-триггера, два логических элемента ИЛИ-НЕ, выход второго логического элемента ИЛИ-НЕ является выходом данных ячейки памяти, а первый вход соединен с инверсным выходом асинхронного D-триггера, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами мультиплексора, первые два входа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, а два других входа мультиплексора являются адресными входами ячейки памяти, вход счетчика импульсов соединен с первым входом первого логического элемента ИЛИ-НЕ, С-входами первого и второго синхронных D-триггеров, прямые выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами третьего логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора и является стробирующим выходом ячейки памяти, инверсный выход второго из синхронных D-триггера соединен со вторым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ, прямой выход первого из синхронных D-триггеров соединен с вторым входом первого логического элемента ИЛИ-НЕ и управляющим входом первого двунаправленного ключа, вход которого является входом данных ячейки памяти, информационные входы первого и второго синхронных D-триггеров являются соответственно входами записи и считывания. Указанная совокупность признаков позволяет упростить ячейку памяти при увеличении надежности в режиме хранения данных путем введения счетчика импульсов и мультиплексора. На чертеже приведена электрическая принципиальная схема ячейки памяти. Ячейка памяти содержит логический элемент ИЛИ-НЕ 1, асинхронный D-триггер 2, двунаправленный ключ 3, логический элемент ИЛИ-НЕ 4, двунаправленный ключ 5, счетчик импульсов 6, синхронные D-триггеры 7, 8, мультиплексор 9, логический элемент ИЛИ-НЕ 10, коммутатор 11, последовательные RC-цепи 12-15, вход данных 16, шину адреса 17, входы записи и считывания 18, 19, стробирующий выход 20, синхронизирующий вход 21 и выход. Первые выводы последовательных RC-цепей 12-15 соединены с соответствующими выводами коммутатора 11, а вторые - с общей шиной. Вход данных 16 соединен с входом двунаправленного ключа 5, выход которого соединен с выходом коммутатора 11, входом асинхронного D-триггера 2 и выходом двунаправленного ключа 3, прямой выход асинхронного D-триггера 2 соединен с входом двунаправленного ключа 3, управляющий вход которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ 4, первый вход которого соединен с входом счетчика импульсов 6, С-входами двух синхронных D-триггеров 7, 8 и входом синхронизации 21 ячейки памяти, прямые выходы синхронных D-триггеров 7, 8 соединены с первым и вторым входами логического элемента ИЛИ-НЕ 10 соответственно, выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора 9 и является стробирующим выходом 20 ячейки памяти. Инверсные выходы асинхронного D-триггера 2 и синхронного D-триггера 8 соединены соответственно с первым и вторым входами логического элемента ИЛИ-НЕ 1, выход которого является выходом ячейки памяти, первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ 10 соединен со вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 4 и управляющим входом двунаправленного ключа 5. Информационные входы синхронных D-триггеров 7, 8 являются соответственно входами записи 18 и считывания 19 ячейки памяти. В качестве элементной базы устройства выбрана серия 564, выполненная по КМОП-технолоии. Ячейка памяти работает следующим образом. Ячейка памяти имеет режим записи данных, режим считывания данных и режим хранения, в котором происходит динамическая регенерация данных. В режиме записи данные поступают на вход двунаправленного ключа 5 через вход данных 16, а сигнал логической "1", разрешающий запись, поступает на вход данных синхронного D-триггера 7 через вход записи 18. По фронту синхросигнала, поступающего на синхронизирующий вход 21 ячейки памяти, на выходе синхронного D-триггера 7 появляется сигнал логической "1", который поступает на второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ 4, на выходе которого появляется сигнал логического "0", который закрывает двунаправленный ключ 3, что приводит к отключению входа D-триггера 2 от его прямого выхода. Сигнал логической "1" с выхода синхронного D-триггера 7 также поступает на управляющий вход двунаправленного ключа 5, в результате чего данные с входа данных 16 ячейки памяти поступают на вход Х коммутатора 11 (он же выход). Этот же логический сигнал с выхода синхронного D-триггера 7 поступает и на первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ 10, на выходе которого образуется сигнал логического "0", который поступает на стробирующий выход 20 ячейки памяти и управляющий вход мультиплексора 9, в результате его выходы X, Y подключаются к адресной шине 17, комбинация сигналов на которой определяет адрес разряда ячейки памяти, в которую происходит запись данных. В режиме считывания на вход данных синхронного D-триггера 8 через вход считывания 19 поступает сигнал логической "1". По фронту сигнала синхронизации, поступающего на вход 21 ячейки памяти, на прямом выходе синхронного D-триггера 8 появляется сигнал логической "1", который поступает на второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ 10, после чего устанавливается адрес ячейки памяти, из которой происходит считывание данных, аналогично режиму записи данных. Данные поступают с выхода Х коммутатора 11 на вход асинхронного D-триггера 2, с инверсного выхода которого данные поступают на первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ 1. С инверсного выхода синхронного D-триггера 8 на второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ 1 поступает сигнал логического "0", после чего данные поступают на выход ячейки памяти. В режиме хранения на входах записи 18 и считывания 19 присутствуют уровни логического "0", а на вход синхронизации 21 подается синхроимпульс, что приводит к появлению на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 10 уровня логической "I", который поступает на управляющей вход мультиплексора 9. Его выходы Х и Y подключаются к входам XI и Y1 соответственно, и счетчик импульсов 6 производит последовательный перебор адресов разрядов ячейки памяти. По фронту синхросигнала на входе синхронизации 21 ячейки памяти соответственно происходит изменение адреса разряда устройства и через логический элемент ИЛИ-НЕ 4 и двунаправленный ключ 3 отключается вход асинхронного D-триггера 2 от его прямого выхода. Информация, хранимая разрядом устройства с выбранным адресом (регенерируемый разряд) появляется на выходе Х коммутатора 11. Данные с прямого выхода асинхронного D-триггера 2 поступают на вход двунаправленного ключа 3, при окончании синхроимпульса на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 4 образуется сигнал логической "1", в результате чего замыкается двунаправленный ключ 3 и регенерированные данные поступают снова на вход Х коммутатора 11 и далее в выбранный разряд ячейки памяти. Частота синхроимпульсов, поступающих на вход синхронизации 21 ячейки памяти должна быть такой, чтобы в режиме хранения состояние разрядов ячейки памяти сохранялись в интервалах между синхроимпульсами (конденсаторы RC-цепей 12-15 должны сохранять свой заряд). Изготовлен лабораторный макет ячейки памяти, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого объекта.

Формула изобретения

Ячейка памяти, содержащая коммутатор, N последовательных RC-цепей, первые выводы которых соединены с соответствующими выводами коммутатора, а вторые выводы - с общей шиной, асинхронный D-триггер, два двунаправленных ключа, выход первого из которых соединен со входом второго двунаправленного ключа и входом асинхронного D-триггера, прямой выход которого соединен с входом второго двунаправленного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ-НЕ, отличающаяся тем, что дополнительно введены мультиплексор, счетчик импульсов, два синхронных D-триггера, два логических элемента ИЛИ-НЕ, выход второго логического элемента ИЛИ-НЕ является выходом данных ячейки памяти, а первый вход соединен с инверсным выходом асинхронного D-триггера, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами мультиплексора, первые два входа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, а два других входа мультиплексора являются адресными входами ячейки памяти, вход счетчика импульсов соединен с первым входом первого логического элемента ИЛИ-НЕ, С-входами первого и второго синхронных D-триггеров, прямые выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами третьего логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора и является стробирующим выходом ячейки памяти, инверсный выход второго из синхронных D-триггера соединен со вторым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ, прямой выход первого из синхронных D-триггеров соединен с вторым входом первого логического элемента ИЛИ-НЕ и управляющим входом первого двунаправленного ключа, вход которого является входом данных ячейки памяти, информационные входы первого и второго синхронных D-триггеров являются соответственно входами записи и считывания.

Общая структурная схема процессора

Принцип фон Неймана

Лекция 3

Принцип фон Неймана. АЛУ. Программа как последовательность кодов команд. Адрес ячейки памяти. Регистры процессора. Как процессор складывает два числа.

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым, одним из отцов кибернетики Джоном фон Нейманом. Впервые эти принципы были опубликованы фон Нейманом в 1945 ᴦ. в его предложениях по машинœе EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, ᴛ.ᴇ. с программой, запомненной в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства. В целом эти принципы сводятся к следующему:

1) Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода.

2) Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами.

3) Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, принято называть программой.

4) Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

5) Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Οʜᴎ определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Компьютеры, построенные на этих принципах, называются машинами фон‑Неймановского типа.

Процессор - центральная микросхема ЭВМ, осуществляющая операции по обработке информации и управляющая работой остальных устройств ЭВМ.

Процессор представляет собой микросхему с большим числом контактов, имеющую прямоугольную или квадратную форму и легко помещающуюся на ладони.

Изобретателœем микропроцессора как схемы, в которую собрана практически вся основная электроника компьютера, стала американская фирма INTEL, выпустившая в 1970 году процессор 8008. С их появления и началась история ЭВМ четвертого поколения.

В своей работе процессор использует регистры - ячейки памяти, находящиеся внутри процессора. На рисунке приведена общая схема процессора.

Общая структурная схема процессора

Процессор разделœен на две части:

операционное устройство (ОУ) и шинный интерфейс (ШИ) .

Назначение ОУ - выполнение команд, а ШИ подготавливает команды и данные для выполнения. ОУ содержит:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) - "отвечает" за выполнение команд,

устройство управления (УУ) - осуществляет выборку команд из памяти, пересылку их на АЛУ и перемещение полученных результатов в требуемую ячейку памяти;

10 регистров - применяются при вычислениях.

Эти устройства обеспечивают выполнение команд, арифметические вычисления и логические операции.

Три элемента ШИ - блок управления шиной, очередь команд и сегментные регистры - осуществляют следующие функции:

передачу данных на ОУ, в память и на внешние устройства ввода/вывода ;

адресацию памяти с помощью четырех сегментных регистров ;

выборку команд, требуемых для выполнения, из памяти в очередь команд .

Компьютер имеет два типа внутренней памяти. Постоянная память (ПЗУ или ROM - read-only memory). Она представляет собой специальную микросхему, из которой возможно только чтение, так как данные в ней специальным образом "прожигаются" и не бывают модифицированы. Ее основное назначение: поддержка процедур начальной загрузки, выполнение различных проверок и т.д. Для целœей программирования наиболее важным элементом ПЗУ является BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода/вывода.

Память, с которой имеет дело программист, принято называть ОЗУ (RAM - random access memory) - оперативное запоминающее устройство. Ее содержимое доступно как для чтения, так и для записи. Здесь хранятся программы и данные во время работы компьютера.

Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметико-логическое устройство (АЛУ). Его основой является электронная схема, составленная из большого числа транзисторов, называемая сумматором. Сумматором выполняются простейшие логические и арифметические операции над данными, представленными в виде двоичных кодов (нулей и единиц). К логическим операциям относятся логическое умножение (операция "И"), логическое сложение (операция "ИЛИ") и логическое отрицание (операция "НЕ"). Результатом операции логического умножения является 1, в случае если всœе переменные, являющиеся исходными данными равны 1, и 0, в случае если хотя бы одна из них равна 0. Вспоминая, что 1 моделируется электрическим сигналом, а 0 - отсутствием сигнала, можно сказать, что на выходе устройства будет электрический сигнал тогда и только тогда, когда сигнал будет иметься на каждом входе:

Результатом операции логического сложения является 0, в случае если всœе исходные переменные равны нулю, и 1, в случае если хотя бы одна из них равна 1. Результатом операции логического отрицания является 1, в случае если на входе- 0, и 0, в случае если на входе -1.

На базе этих трех операций можно производить арифметические действия над числами, представленными в виде нулей и единиц. Теоретической основой для этого являются законы, разработанные еще в 1847 году ирландским математиком Джорджем Булем, известные как Булева алгебра, в которой используются только два числа- 0 и 1. Ранее считалось, что эти работы Буля никому не нужны, и их автор подвергался насмешкам. При этом, в 1938 году американский инженер Клод Шеннон положил Булеву алгебру в основу теории электрических и электронных переключательных схем- сумматоров, создание которых и привело к появлению ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления.

Все остальные операции, производимые ЭВМ, сводятся к большому числу простейших арифметических и логических операций, аналогично тому, как операцию умножения можно свести к большому числу операций сложения.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство объединяется с управляющими устройствами в единую схему - процессор .

В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях. В принципе, всœе, что требуется от компьютерной памяти, - это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

Одним из базовых элементов компьютера, позволяющим ему нормально функционировать, является память. Внутренняя память компьютера - это место хранения информации, с которой он работает. Внутренняя память компьютера является временным рабочим пространством; в отличие от нее внешняя память, такая как файл на дискете, предназначена для долговременного хранения информации. Информация во внутренней памяти не сохраняется при выключении питания.

Каждая ячейка памяти имеет адрес, который используется для ее нахождения. Адреса - это числа, начиная с нуля для первой ячейки, увеличивающиеся по направлению к последней ячейке памяти. Поскольку адреса - это те же числа, компьютер может использовать арифметические операции для вычисления адресов памяти.

Архитектура каждого компьютера накладывает собственные ограничения на величину адресов. Наибольший возможный адрес определяет объём адресного пространства компьютера или то, какой объём памяти он может использовать. Обычно компьютер использует память меньшего объёма, чем допускается его возможностями адресации. В случае если архитектура компьютера предусматривает наибольшее адресное пространство, это накладывает суровые ограничения на возможности такого компьютера. Адреса в 8088 имеют длину 20 бит, следовательно, процессор позволяет адресовать два в двадцатой степени байта или 1024 К.

Адрес ячейки памяти - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Адрес ячейки памяти" 2017, 2018.