26. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Элементы на основе структур с плавающим затвором. Стирание информации. Применение ПЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития ПЗУ: Flash-память. MRAM.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.
В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером (BIOS или
OpenBoot на машинах SPARC).
Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.
ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым излучением в настоящее время наиболее широко используются в микропроцессорных системах.
Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM).
Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий — 10-20 лет.
Магниторезистивная оперативная память (MRAM — англ. magnetoresistive random-access memory)
— запоминающее устройство с произвольным доступом, которое хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов.
Важнейшее преимущество этого типа памяти — энергонезависимость, то есть способность сохранять записанную информацию (например, программные контексты задач в системе и состояние всей системы) при отсутствии внешнего питания. Её сторонники верят, что благодаря ряду преимуществ, она в конечном счёте заменит все типы компьютерной памяти, и станет по- настоящему «универсальной» компьютерной памятью.
27
Роль и место различных типов памяти в ЭВМ.
Энергонезависимая память — память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;
Энергозависимая память — память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память, реализованная на ОЗУ, кэш-память.
Статическая память — энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;
Динамическая память — энергозависимая память, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и,
кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).
28. Функции интерфейса ввода-вывода. Информационная, электрическая и конструктивная совместимость интерфейсов.
Под стандартным интерфейсом понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах и направленные на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов.
Основными элементами интерфейса являются:
Совокупность правил обмена информации (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса), аппаратная реализация (физическая реализация) (контроллеры), программное обеспечение интерфейса (драйверы).
Общение процессора с внешними устройствами происходит по шинам. Системная шина соединяет между собой штатные устройства, а внешние устройства соединяются со штатными посредством шин ввода - вывода. Кроме того, для связи с внешним устройством необходим контроллер, который знает, какое конкретное устройство он обслуживает, и соединяется с шиной для данного типа устройств. Контроллер согласует линии передачи данных, сигналы, временные такты сигналов и т.п.
Регистры контроллера: данных, состояния, управления.
Информационная совместимость – согласованность взаимодействий функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий.
Электрическая совместимость – согласование статических и динамических параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространство размещения устройств интерфейса и техническая реализация приемо-передающих элементов.
Конструктивная совместимость – согласование конструктивных элементов интерфейса, предназначена для обеспечения механического контакта электрического соединения и механической замены схемных элементов.
29. Устройство типичного интерфейса. Функциональная и управляющая части интерфейса. Методы доступа FIFO и LIFO.
Составными элементами связи интерфейса являются электрические цепи (линии интерфейса).
Часть линий сгруппированных по функциональному назначению – шина (BUS), совокупность всех линий – магистраль. Во всей системе шин условно выделяют две магистрали: магистраль информационного канала, магистраль управления информационным каналом.
Магистраль информационного канала – магистраль, по которой передаются коды данных, адреса, команд, информации состояния (статуса).
Магистраль управления информационным каналом включает: шину управляющих сигналов,
шину прерывания, шину управления обменом, шину передачи управления.
Функциональная организация определяет ряд основных функций интерфейса, которые необходимо реализовать для обеспечения информационной совместимости: селекция информационного канала; синхронизация обмена информацией; координация взаимодействия; буферное хранение информации; преобразование формы представления информации.
Принцип – first in first out, чем раньше сообщение попало в буфер, тем скорее его покинет.
Принцип FIFO обычно используется в электронных схемах для буферизации и управления потоком, передаваемом от аппаратного обеспечения к программному. В аппаратной форме FIFO в основном состоит из множества указателей чтения и записи, памяти и логики управления.
Устройство памяти может быть SRAM, триггер, защёлка или любого другого подходящего типа.
Для FIFO больших размеров используется, как правило, двойной порт SRAM, в котором один порт используется для записи, а другой для чтения.
30. Интерфейс последовательной связи. Дуплексная и полудуплексная связь.
Асинхронная и синхронная связь. Типы универсальных и специализированных интерфейсов. Скорость передачи информации и электрические параметры. Основные характеристики некоторых универсальных интерфейсов: USB, FireWire, Thunderbolt.
Последовательный интерфейс требует наличия как минимум двух линий связи между устройствами. Существует разделение способов связи на полудуплексные и дуплексные.
Первый тип связен характерен тем, что передача данных происходит только в одном направлении в определенный момент времени, а дуплексная связь – в двух направлениях одновременно. С точки зрения принципов работы, последовательный интерфейс может быть синхронным и асинхронным. Синхронная передача данных обязательно сопровождается каким-либо тактирующим импульсом, кроме того, при синхронной передаче данных частоты работы приемника и передатчика должны быть близки. Асинхронная передача предполагает, что приемник и передатчик работают на примерно одних и тех же частотах, причем это условие более жесткое, чем для синхронной передачи.
Внешние интерфейсы ПУ можно разделить на две группы: специализированные интерфейсы и универсальные интерфейсы.
Специализированные интерфейсы обслуживают только один тип ПУ. К ним можно отнести: интерфейсы клавиатуры, интерфейс манипуляторов, аудиоинтерфейсы, интерфейсы мониторов, интерфейс игрового адаптера, интерфейс флоппи-дисков.
Универсальные интерфейсы позволяют подключать различные типы ПУ (печать, сканер, графопостроитель, видеокамера и т.д.). К этим интерфейсам относятся: последовательные интерфейсы RS-232c, USB, Fire Wire и др., параллельные интерфейсы Centronics (стандарт
IEEE1284), SCSI, ATA и др.
USB: 1.5, 12 Мбит/сек; последовательный; полудуплексный.
FireWire: 100, 200, 400 Мбит/сек; последовательный; полудуплексный.
Thunderbolt: 10 Гбит/сек; параллельный; дуплексный.
31. Модем. Амплитудная, частотная и фазовая модуляция сигнала. Передача данных по телефонным линиям. Скорость передачи данных.
Модем (модулятор + демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации.
Модулятор в модеме осуществляет
модуляцию несущего сигнала при передаче данных, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс при приёме данных из канала связи. Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. Само формирование данных для передачи и обработки принимаемых данных осуществляет т. н. терминальное оборудование (в его роли может выступать и персональный компьютер).
Модуляция — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).
Амплитудная модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.
Частотная модуляция (ЧМ) — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.
Фазовая модуляция — один из видов модуляции колебаний, при которой фаза несущего колебания управляется информационным сигналом.
Для передачи цифровых компьютерных данных по телефонным линиям связи их преобразуют в электрические колебания. На приемном конце происходит обратное преобразование электрических колебаний в машинные коды.
Шина USB дает большую скорость обмена данными (до 12 Мбит/с. для версии 1.1, до 480 Мбит/с. для версии 2.0) и возможность "горячего" подключения.
32. Магнетизм. Магнитные материалы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.
Кривая намагниченности ферромагнетиков. Температура Кюри. Доменная структура.
Магнетизм - форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, которая осуществляется на расстоянии (дальнодействие) посредством магнитного поля.
Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.
Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем поле в направлении этого поля.
Ферромагнетики - вещества, в которых ниже критической температуры (точка Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов / ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлах). Т.е. ферромагнетик - такое вещество, которое ниже точки Кюри, может обладать намагниченностью в отсутствие внешнего поля.
Температура Кюри - температура фазового перехода, связанного со скачком магнитных свойств ферромагнетиков.
Домены - макроскопические области в магнитных кристаллах, в которых существует определенная ориентация вектора спонтанной однородной намагниченности (ферромагнетики) либо вектора антиферромагнетизма (при температуре ниже точек Кюри и Нееля, соответственно) и эта ориентация отличается от ориентации соответствующего вектора в соседних доменах.
Домены существуют в ферромагнитных и антиферромагнитных кристаллах, а также других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком (например, сегнетоэлектриках).
33. Принципы записи и считывания информации на магнитных носителях. Типы
магнитных носителей и магнитных головок. Продольная и поперечная запись информации. Предельная плотность записи и скорость доступа к записанной информации.
Память на магнитных сердечниках (ферритовая память) -
запоминающее устройство, хранящее информацию в виде направления намагниченности небольших ферритовых сердечников, обычно имеющих форму кольца.
Считывающие головки не касаются поверхности пластин благодаря тонкой прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности диска при его быстром вращении.
Расстояние между самой головкой и диском находится в нм диапазоне (в современных дисках 10 нм), причем именно отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства.
MIG головка позволяет уменьшить насыщение сердечника и повысить магнитную индукцию.
TF головка позволяет уменьшить до 30 нм расстояние между носителем и головкой.
Типы магнитных носителей: дисковые (магнитные диски, оптические, магнитооптические); ленточные (магнитные ленты, перфоленты); барабанные (магнитные барабаны); карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты, и др.); печатные платы (карты DRAM, картриджи).
Продольная магнитная запись: Информация хранится на частицах, состоящих из 70 - 100 доменов.
Если соседние области имеют противоположное направление моментов, часть доменов на границе может потерять стабильность и произвольно менять направление магнитного момента.
При перпендикулярной записи магнитные диполи расположены под углом 90° к плоскости диска.
Поэтому диполи, хранящие разные значения, не отталкиваются друг от друга (намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами).
Рост плотности записи (уменьшение размера частиц) не требует уменьшения толщины слоя, что обеспечивает высокую стабильность магнитного материала.
Поверхностная плотность записи зависит от нескольких основных факторов. Ее предельная величина, в первую очередь, определяется размерами ферромагнитных частиц (доменов) рабочего слоя — их уменьшение позволяет добиться больших значений поверхностной плотности записи данных. Следующими по значимости факторами являются коэрцитивная сила рабочего слоя и размеры головок чтения/записи (точнее, ширина их магнитного зазора). Увеличение коэрцитивной силы позволяет повысить соотношение сигнал/шум при считывании, а уменьшение ширины зазора — более компактный «профиль» поля намагничивания головки в режиме записи, что позволяет уменьшить расстояние между зонами смены знака остаточной намагниченности на поверхности носителя и, следовательно, получить более высокие значения плотности записи.
Наконец, плотность записи зависит от толщины воздушной подушки — расстояния между головкой чтения/записи и поверхностью носителя. Чем ближе головка чтения/записи располагается к магнитному слою, тем выше может быть поверхностная плотность записи.
Доступ к данным, хранящимся на CD-ROM, осуществляется быстрее, чем к данным, записанным на дискетах, но уступает скорости доступа к данным жестких дисков.
34. Использование оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях. Магнитооптика.
Магнитооптический диск (также допускается написание магнитно-оптический диск) — носитель информации, сочетающий свойства оптических и магнитных накопителей.
Магнитооптический диск изготавливается с использованием ферромагнетиков. Первые магнитооптические диски были размером с 5,25" дискету, потом появились диски размером 3,5".
Запись на магнитооптический диск осуществляется по следующей технологии: излучение лазера разогревает участок дорожки выше температуры точки Кюри, после чего
электромагнитный импульс изменяет намагниченность, создавая отпечатки, эквивалентные питам на оптических дисках.
Считывание осуществляется тем же самым лазером, но на меньшей мощности, недостаточной для разогрева диска: поляризованный лазерный луч проходит сквозь материал диска, отражается от подложки, проходит сквозь оптическую систему и попадает на датчик. При этом в зависимости от намагниченности изменяется плоскость поляризации луча лазера (эффект Керра) что и определяется датчиком.
Принцип Ферма - постулат, предписывающий лучу света в геометрической оптике двигаться из начальной точки в конечную точку по пути, минимизирующему время движения (или, что то же самое, оптическую длину пути).
35. Оптическая память. Предельная плотность записи информации в оптике. CD и DVD диски. Blu-ray и HD-DVD технологии.
Оптическая память:
Среда, хранящая информацию: последовательность участков (питов), отражающих или рассеивающих свет.
Чтение: отражение либо рассеяние лазерного луча от питов;
Запись: точечный нагрев, изменяющий свойства отражающего слоя.
Плотность записи по сравнению с обычной грампластинкой больше в 100 раз. По сравнению с механической звукозаписью имеет ряд преимуществ: очень высокую плотность записи и полное отсутствие механического контакта между носителем и считывающим устройством в процессе записи и воспроизведения. Основное отличие DVD-диска от обычного компакт-диска– в десятки раз более высокая плотность записи информации.
Предельная плотность записи информации для двумерной записи 10^8 бит/см2.
СD-R: при нагревании красителя выше определенной температуры он разрушается и темнеет, меняя отражательную способность «прожженной» зоны. Управляя мощностью излучения лазера во времени, на записывающем слое получают чередование темных и светлых пятен, которые при чтении (меньшая мощность излучения лазера) интерпретируются как питы.
Технология CD-RW - в отличие от СD-R позволяет проводить многократную ( 1000 раз) перезапись данных.
36. Повышение предельной плотности записи информации. Многослойные оптические диски. Трехмерная оптическая память: фоторефрактивные и фотохромные материалы.
Быстрое изменение диаметра пучка по продольной координате при жесткой фокусировке дает возможность создания многослойных дисков, в которых выбор слоя проводится продольным перемещением объектива. Используется материал, при записи приобретающий флуоресцентные свойства. Активированные «питы» слоев (до 100 (!) при
чтении излучают свет, смещенный по длине волны относительно читающего излучения. Смещение – разное для разных слоев, что дает возможность разделить информацию, полученную от каждого слоя.
В голографии в некой области пространства складывают две волны: одна из них идет от источника
(опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). Результат их интерференции - сложная картина светлых и темных полос – регистрируют на фотопластинке (или ином фоточувствительном материале).
Скачать 1.15 Mb.