3/12/2002 T. Evartson 1

Arvuti mälu ( Computer Memory)Üldstruktuur I

Mälu poole pöördumisel määrab aadress millise mälusõna poole toimub pöördumine. Seejuures mälu sõna on info hulk mille kaupa on võimalik mälusse kirjutada või sealt lugeda infot. Kui näiteks mälu sõna on 8 bitti (üks bait), siis saab lugeda või kirjutada infot baidi kaupa. Samal ajal ei saa lugeda/kirjutada ühte bitti või ühe pöördumisegalugeda/kirjutada 16 bitti infot. Mälusõna on kvnt infot millele viitab üks aadress (kahendkood) ja mille kaupa toimub igal mälu poole pöördumisel infovahetus. Infovahetuseks on mälul andmeliinid. Andmeliinide arv (andmesiini järgulusus) vastab tavaliselt mälusõna järgulisusele. Andmevahetuseks protsessori ja mälu vahel on veel juhtliinid (juhtsiin). Minimaalsed juhtsignaalid on mällu kirjutamine (MEMORY WRITE) ja mölust lugemine (MEMORY READ) . Teatud mälu tüüpidel om muidugi veel täiendavaid juhtsignaale.

AndmedData

AadressAddress Mälu

Memory

JuhtimineControl

3/12/2002 T. Evartson 2

Üldstruktuur II

Mälu poole pöördumisel määrab aadressi dekooder millise mälupesa poole toimub pöördumine. Dekoodril oli teatavasti omadus, et iga sisendkombinatsiooni korral on aktiivne ainult üks väljund ja sellega on ka tagatud, et pöörduda saab korraga vaid ühe mälusõna poole. Mälu koosneb tavaliselt mitmest moodulist ja CS (Chip Select ) signaal on mälumooduli valikuks. Kui SC ei ole aktiivne on kõikide mälu andmeliinide puhvrid kolmandas olekus ja kirjutamine antud moodulisse keelatud.Sisendid RD (Read) ja WR (Write) on vastavalt lugemise ja kirjutamise lubamiseks. Tihti kasutatakse siin ka ühte liini mille puhul näiteks madal väärtus (0) näitab kirjutamist ja kõrge väärtus (1) lugemist. Paljudel mäludel on veel täiendav sisend OE (Output Enable) mis võimaldab viia andmeliinide puhvrid kolmandasse olekusse.

CSOE RD

Sõna 0 (Word 0)

Sõna 1 (Word 1)

Sõna n-1Word n-1

Sõna i (Word i)

Sõna 2 (Word 2)

0 1 7j

Andmedkirjutamiseks

CellA0

A1

A19

A

a d

r e

s s

&

DCDj

D0

WR

3/12/2002 T. Evartson 3

MõisteidCell (pesik) - elementaarne mälu komponent 1 biti info säilitamiseks.

Word (pesa, sõna) - mälu ühik millele viitab üks aadress

Capasity (mälu maht) - mälu maht1 Byte (bait) - 8 bitti1 Kbaiti = 2 baiti = 1024 baiti1 Mbaiti = 2 baiti = 1 048 576 baiti1 Gbaiti = 2 baiti

Density (tihedus) = Capasity/size

Access time (pöördumis aeg) - aeg mälu poole pöördumise algusestkuni andmete saamiseni

Bandwidth (läbilaskevõime) - andmeedastus kiirus mälu ja CPU vahel(Mbaiti sekundis).

Latency (latensusaeg) - aeg mälu poole pöördumise algusest andmete saabumise alguseni

Random access memory – suvapöördusmälu ( iga sõna poole pöördumine nõuab ühepalju aega sõltumatta tema sukohast mälus)

Serial access memory – jadapöördusmälu (erinevate mälu sõnade poole pöördumine nõuab erineva aja)

Volatile memory (hävimismälu) - andmed hävivad toite väljalülitamisel

Read-only memory (ROM) –püsimälu (suvapöördus mälu liik kus info säilib ka üärast toite välja lülitamist)

Static memory - staatiline mälu

Dynamic memory- dünaamiline mälu

10

30

20

3/12/2002 T. Evartson 4

Arvuti mälu klassifikatsioon I

Nõuded mälule on vastuolulised :•Võimalikult suur maht;•Võimalikult väikesel infokandjal/salvestajal;•Võimaliklu väike põõrdumise aeg (kiire);•Võimaliklu väike energiatarve.

Milline füüsika nähtus võib olla info salvetajaks:•Tal peab olema kaks püsivat olekut;•Kahe püsiva oleku vahel peab olema energia barjäär, see tähendab, et ta ei lähe ühest püsivast olekust teise ilma välise energiaga mõjutamatta;•Väliselt peab olema võimalik teha kindlaks kumbas püsivas olekus ta on (lugemine);•Väliselt peab olema võimalik teda viia ühte tema püsivatest olekutest (kirjutamine)

Millistel füüsika nähtustel mälud põhinevad:•Deformatsioon (Perfokaart, PROM; ...);•Laeng (DRAM, ...);•Positiivne tagasiside (SRAM, ...);•Magnetilised nähtused (Kõvaketas, ...);•Optilised nätused (CD – ROM, ...);•Viiteliin;

3/12/2002 T. Evartson 5

Arvuti mälu klassifikatsioon II (Computer memory classification)

MÄLUMemory

Suvapöördus mäluPrimary

Random Acsess Memory(RAM)

Säiliv(Püsimälu)Nonvolatile

SäilivNonvolatile

FerriitmäluFerrite core

Jadapöördus mäluSecondary

Sequential Acsess Memory

MagnetmäluMagnetic

SäilivNonvolatile

SäilivNonvolatile

MagnetmäluMagnetic

Optiline mäluOptical

PooljuhtmäluSemiconductor

memory

MittesäilivVolatile

Staatiline Static RAM

DünaamilineDRAM PROM

ROM

EPROM

EEPROM

FlashEPROM

MullmäluBubble

Pehme ketasFloppy disk

CD ROM

CD -R

CD -RWKõvaketasHard disk DVD

LintTape

Magnet-optilineHolo-

graafiline

Magnet-ketas

3/12/2002 T. Evartson 6

Mälu hierarhia (Memory Hierarchy)

Kiirus

Register-mäluRegisters

VahemäluCache

PõhimäluMain memory

Kõvaketas (magneetiline)Hard disk (Magnetic)

CD - ROM optilineOptical

Lint (magneetiline)Tape (Magnetic)

5 ns

50 ns

10 ms

100 ms

100s

Randomaccsessmemory

Serialaccsessmemory

100bytes

512 K

10G

100 G

Mälu hierarhias on tipus suhteliselt väikese mahuline, kuid kiire registermälu. Registermälu on suhtekiselt kallis ja sellepärast tema maht on ka piiratud. Töötab ta protsessori kiirusega. Järgneb vahemälu (peidikmälu, Cache) mis on juba suurema mahuga, aga ka mõnevõrra aeglasem. Esimesed kakas on realiseeritud reeglina staatilise suvapöördus mäluna mis on kiirem dünaamilisest. Põhimälu on dünaamiline suvapöördus mälu mis tagab suurema pakkimistiheduse kristallil kui dünaamiline, kuid on ka aeglasem. Järgnevad juba järjesti pöördusega mälud mis on veelgi aeglasemad, kuid suurema mahulised.

3/12/2002 T. Evartson 7

Staatiline pooljuht suvapöördusmälu I

SRAM512Kx8

A0

A1

A18

A

a d

r e

s s

A n d m

e d

D0

D1

D7

CS Lubab lugemise või kirjutamise

Avab andmesiini puhvridOE

Valib andmeeadstuse suunaLugemine/Kirjutamine

R/W

Staatilises pooljuht suvapöördus mälus (SRAM) on info salvestatud positiivse tagasiside kaudu trigerites. Tegemiston kiire mäluga mida kasutatakse näiteks registermälus ja vahemälus (Cache). Trigerite pakkimistihedus kristallil jääb väiksemaks kui dünaamilisel RAM-l. Joonisel on toodud ka tavaliselt SRAM-i juhtimiseks kasutatavd signaalid.Järgmisel joonisel on toodud SRAM-i sisemine struktuur. Mälu pesikud on kujutatud D-trigeritena, kuid realiseeritakse nad kristalli pinnal muidugi transistoride abil.

3/12/2002 T. Evartson 8

Aadressidekooder

(2-to-4addressdecoder)

A0

A1

0

1

2

3

Writeenable

R/W

CS

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

&

&OE D2 D0D3 D1

Memory CellRow select

C

D Väljund

&Writeenable

Sisend

3/12/2002 T. Evartson 9

Mitu mälu moodulit

AB

JuhtloogikaControl

logic

Aadress (address)

Andmed (Data)

CS1

CS2

CS CS

R/W

R/W R/W

OE

DB

CPU

Mälu 1Memorydevice 1

Mälu 2Memorydevice 2

OE OE

R/W DS

3/12/2002 T. Evartson 10

Staatilisest mälust lugemise tsükkel (Read cycle of satatic RAM)SRAM-i poole pöördumine

Aadress CPU-st Address valid

Read access time< 60 ns

Read cycle time ( >60 ns)

CS

Andmedmälust Data validSiin kolmandas olekus

Bus floating

Data hold time

Staatilisse mällu kirjutamise tsükkel (Write cycle of satatic RAM)

Aadress CPU-st Address valid

Read cycle time ( >60 ns)

CS

R/W

AndmedCPU-st Data valid

Data hold time

Data setup time

3/12/2002 T. Evartson 11

Dünaamiline pooljuht suvapöördusmälu (Dynamic RAM)

DRAM-s on info kandajaks laeng. Kui SRAM- kulub ühe biti info hoidmiseks kuni kuus transistori, siis siin on vaid üks transistor koos kondensaatoriga. Info pakkimise tihedus kristallile on parem kui SRAM-l. Kuivõrd ei ole olemas ideaalset isolaatorit, siis laeng teatud aja möödudes kaob ja info hävib. Selle vältimiseks toimub dünaamilises mälus pidev mälu värskendamine (refresh) mille käigus lirjutatakse pidevalt infot uuesti üle. SRAM-st odavama hinna tõttu kasutatakse DRAM-i just suurema mahulise põhimälu valmistamiseks. DRAM on aeglasem kui SRAM. Mälu moodulite mahud on siin suured (väike biti pindala), kuid mikroskeemile ei ole võimalik teha piisaval hulgal väljaviike. Sellepärast jagatakse tavaliselt DRAM-i aadress kaheks osaks – rea aadress ja veeru aadress. Järgnevatel piltidel on näidatud kuidas toimud nende aadresside sisselugemine samade väljaviikude kaudu. Kui on valitud rida ja veerg siis osutatakse ühele bitile maatriksis. Sõna järgulisus saavutatakse sellega, et neid maatrikseid on üksteise peal mitu kihti.

Rea aadressipuhverRow

addresslatch

Rea aadress( Row address)

Mälu maatriksMemory array

JuhtimineControl Andmed

Data

Veeru aadressi puhver

Column address latch

R/WRAS(Row Address Strobe)

CAS (ColumnAddress Strobe)

Veeru aadressColumn address

3/12/2002 T. Evartson 12

Dünaamilise mälu juhtimine ( Dynamic memory control)

Rea ja veeru aadressid loetakse sisse samade väljaviikude kaudu. Ajaliselt toimub lugemine järjestikuliselt mis muudab mälu poole pöördumise aegalasemalks. DRAM-i mõistete juures on toodud ka mõned võtted mis pöördumist võimaldavad kiirendada.

DRAMi aadressLülitiSwitch

MUX

Rea aadressDünaamilise

mälumaatriks

DRAMarray

CPU

Veeru aadress

Timing andControl

Juhtimine (Control)

DS R/W

RAS CAS R/W

MPX

CLK

3/12/2002 T. Evartson 13

DRAMi aadressLülitiSwitch

MUXDS R/W

RAS

CAS

R/W

Veeru aadr. puhv

Rea

aadr

. puh

v

DRAM-Imaatriks

DRAM-i struktuur

Rea aadress

CPU

Veeru aadress

Juhtimine (Control)

MPX RAS

Timing andControl

R/W

CASCLK

3/12/2002 T. Evartson 14

Dünaamilisest mälust lugemise tsükkel (Read cycle of Dynamic RAM)

Aadress CPU-st Address valid

DRAM-iaadress

Rea aadress Veeru aadress

RAS

Andmedmälust

Data valid

CAS

R/W

Rea aadressisalvestamineCaptureroww address

Veeru aadressisalvestamineCapturecolumn addressMUX lülitub

veeru aadressile

Andmed mälustvalmis

Tsükli lõppRAS ja CASmuutuvad kõrgeks

3/12/2002 T. Evartson 15

Dünaamilisse mällu kirjutamise tsükkel (Write cycle of Dynamic RAM)

Aadress CPU-st Address valid

DRAM-Iaadress

Rea aadress Veeru aadress

RAS

AndmedCPUst

Data valid

CAS

R/W

R/W peab olema L (Low) ja andmed valmisenne kui CAS muutub L-ks

3/12/2002 T. Evartson 16

Mõisteid DRAM-i juurde

Fast Page Mode (FPM) DRAM – Eeldatakse, et mälust järjestikku paiknevadandmed paiknevad mälumaatriksi aktiveeritud rea järjestikustes veergudes.

Extended Data Output (EDO) DRAM – väljundis puhver, mis lubab alustadauut pöördumist enne eelmise lõppu.Synchronous DRAM (SDRAM) – ühendatud süsteeemi kellaga s.o.sünkroonne, järjestikuste addresside poole põõrdumisel genereeribjärgnevad aadressid ise (burst) ja sisemiselt jagatud kaheks või neljaks pangaksSee võimaldab ühe panga poole pöördumisel teises infot uuendada (refresh).Rambus DRAM (RDRAM) – Kiire sünkroonne mälu. KoosnebMultipank DRAM (MDRAM)-idest, millele on lisatud täiendav liidestuslülitus. Edastab infot nii esi kui tagafrondist. Content Adressable Memory (CAM) - assotsiatiivmälu.Double Data Rate DRAM (DDR DRAM) – SDRAM-i edasiarendus. Edastabinfot nii esi- kui tagafrondist.

SIMM – Single Inline Memory Module (72 klemmi)DIMM – Dual Inline Memory Module (168 klemmi)

3/12/2002 T. Evartson 17

Püsivad suvapöördus transistor mäludMaskiga programmeeritav ROM (Mask-programmed ROM). Programmeerimine toimub mikroskeemide valmistaja poolt viimaste maskide abil tehnoloogia käigus.

0

DC

A 0

A 1

1 1

1

2

3

b1 b2

Programmeeritav ROM (Programmable ROM). Programmeerib kasutaja spetsiaalse programmaatoriga põletatdes mittevajalikud väiksema ristlõike pindalaga ühendused.

+v +v

1

1

0

Fuse

DC

A0

A 1

0

01

1

1120

113

b1 b20 1

3/12/2002 T. Evartson 18

PROM-i programmeerimine

PROM-i programmeerimisel kasutatakse kahekordse ühe (2U1) pinge meetodit. Kui on valitud kõige ülemine sõna ja esimesele bitiliinile antakse pinge 2U1 siis langeb vasakul üleval olevale dioodile pinge 2U1 kuid kõigile teistele dioodidele pinge kas 0 volti või U1 volti. Dioodi ühendus on tehtud ühest kohast (laineline joonisel) väiksema ristlõike pinnaga selliselt, et ta ei põle läbi pingel U1 kuid põleb pingega 2U1. Selliselt valides sõnu ja bitiliinidele antavaid üingeid toimub kogu PROM-i programmeerimine. See on ühekordne protsess ja hiljem ümber programmeerida ei ole võimalik. Erinevalo PRM-st mida ei saa kasutaja iae programmeerida on ta muidugi paindlikum, kuid vaheneb pakkimise tihedus, sest osa kristalli pinda on kulunud ju tegelikult mittevajalike dioodide tegemiseks. Tihedust vähendab ka täiendava isolatsiooni vajadus, sest kasutatakse kõrgemaid pingeid kui U1.

Ainuke ühendus (Fuse)millele langeb pinge 2U1

ja ta sulab.

+v+v

DC

A0

A 1

0

1

2

3

b1 b2

1 0

1

1

1

0

0

1

1

1

Pinge 0

Pinge U1

Pinge U1

Pinge U1

Pinge 0Pinge 2U1

3/12/2002 T. Evartson 19

EPROM, EEPROM ja Flash

Silicon floating gate

Silicon select gateVss Vdd

Vgg

EPROM, EEPROM ja Flash tehnoloogiad põhinevad kõik ujuva paisuga väljatransistoridel. Transistorile on paisu juurde on lisatud teine pais kuhu on võimalik kanda laeng. Selle laenguga muudetakse transistori avmiseks (suudme ja lätte vahel suureneb järsult vool) vajaliku paisu pinge suurust. Põhineb sellel, et kui ujuval paisul on laeng, siis alguses tõstes paisu pinget kulub ta selle laengu kompenseerimiseks ja seejärel alles avab transistori. Kustutamisel laeng ujuvalt paisult eemaldatakse (EPROM-il ultravioletse valgusega, EEPRO-il ja Flashil elektriväljaga. Seejärel saab teda spetsiaalse programmaatoriga uuesti programmeerida.

n np

Vdd Vdd

VddVdd

WLi

Wli+1

BLi Bli+1

0 0

Valides mingi sõna avnevad ainult need transistorid mille ujuval paisul laeng puudub ja vastava bitiliini väärtus on üks. Transistorid kus on ujuval paisul laeng ei avane ja vastava bitiliine väärtus on läbi takisti nulli nivool.

3/12/2002 T. Evartson 20

Mälu koostamine mitmest moodulist

8 bitineCPU

8 bitinemälu

8 bitine kanal D0 kuni D7

16 bitine CPU

16 bitine kanal D0 kuni D15 16 bitine mälu

32 bitineCPU 32 bitine mälu32 bitine kanal D0 kuni D31

Andmesiini jägulisus määrab ära tavaliselt sõna järgulususe mälus, kui sõna ei edastata osade kaupa. Sellist asja on tõesti mõnikord ka kasutatud. Teine probleem on seotud mälu sõnade arvuga mälus, nimelt ei ole kogu mälu mahtu mida on võimalik adresseerida aadress siini abil tehnoloogiliselt võimalik valmistada ühe moodulina. Seega tuleb koostada mälu mitmest moodulist. See annab ka võimaluse kasutatda ka väiksemat mälu millele võib vastavalt vajadusele ja rahakotile hankida soovi korral lisa. Järgnrvatel piltidel ol koostatud mälu kahest ja neljast moodulist. Toodud on ka kujunev aadressi ruum ja kuidas ta jaguneb moodulite vahel.

3/12/2002 T. Evartson 21

Näide I

Selleks, et valida kahe mooduli vahel kasutatakse aadressi järku A10 . Noorem pool aadressi ruumist paikneb füüsiliselt moodulis M1 ja vanem pool moodulis M2. Iga aadressi järgu lisamine võimaldab suurendada mälu mahtu kaks korda. Niikaua kui jätkub protsessoril ja teistel süsteemi komponentidel aadressi järke võime ka suurendada mälu lisades mooduleid.

2 K mälu 1K moodulitest

CPU

Mälumoodul

M21 K

Mälumoodul

M11K

A0

A1

A9

A10

CS2 CS1

Andmesiin (Data Bus)

1

000

Modul 1

Modul 2

3FF

400

7FF

3/12/2002 T. Evartson 22

Näide II 4 K mälu 1 K moodulitestA11

CPU

Mälumoodul

M11 K

Mälumoodul

M21K

Mälumoodul

M31K

Mälumoodul

M41K

A0

A1

A9

A10

Andmesiin (Data bus)

DC

0

1

2

3

CS1 CS2 CS3 CS4

B

A

000

M1

M2

M3

M4

1K3FF400

1K

7FF800

1KBFFC00

1K

FFF

3/12/2002 T. Evartson 23

Mälu pangad ja vahelnamine Memory banking and Interleaving

0

Mitmest pangast koosneval mälul võivad järjestikused pesad olla järjest ühes pangas ja siis edasi samuti järgmises. Vaheldamise korral on aga järjestikused aaressid erinevates pankades. Vaheldamine võimaldab järjestikulistelt aadressidelt lugemisel/kirjutamisel käivitada konveieri. Konveierist on juttu protsessori juures.

1N0 (M-1)N

N+112

. . . ...

.

.

.

.

.

.

N-1 2N-1 MN-1

2 =Mm

WordBank2 =Nn

nm

Vaheldamine Interleaving

Bank 1Bank 0 Bank 2 Bank M-10 1

MN-(M-2)

2M+1

M-1M M+2 2M-1

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. . .

MN-1

MN-(M-1)MN-M

3/12/2002 T. Evartson 24

Aadressi laiendamine Address extension

Kui on vaja suurendada mälu mahtu, kuid ei ole enam aadressi siinil lis järke, siis saaad seda teha lisades välise registri kus hoitakse panga numbrit. Selleks, et minna üle ühelt pangalt teisele on vaja eraldi käsuga muuta registri sisu.

Panga valik2 bitinereg.

2

CPU

DB DC

Pank0

Pank1

Pank2

Pank3

Aadress

n

n + p bitineaadress

CPU

2n bitistregistrit

mn

m

DB DC

p

AB

3/12/2002 T. Evartson 25

Magneetiline mälu ( Magnetic Memory)

Read/Write head

Mitte magneetuv alus (Non-magnetic substrate)

Magnet kate (Magnetic coating)

i

Coil

Magnetiline info salvestus põhineb magnet materjali magnetiseerimises ünes või teises suunas. Selleks kasutatakse lugemis/kirjutamis pead mis on magnetmaterjalist ja mille peal on mähis. Juhtides mähisesse voolu ühes või teisres suunas tekib ka vastava suubaline magnetväli. Magnet jõujooned kaarduvad materjalist välja sinna tehtud pilu kohal mis aga omakorda on salvestus materjali lähedal. Lugumisel aga indutseerib magnetvälja muutus mähises impulsse. Vool indutseeritakse selles kohas kus toimub üleminek magneetimise ühelt suunalt teisele ja voolu suund sõltub sellest milises suunas on magnetvälja üleminek.

Kirj

utam

ise

vool

i

mis

e

u

Luge

mis

epi

nge

3/12/2002 T. Evartson 26

Info kodeerimine magnetmälus I (Dta encoding techniques)

Suurema info tiheduse savutamiseks info kodeeritakse. Siin on toodud mõnednäited. Täpsemaks selle valdkonnaga tutvumiseks tuleb pöörduda kirjanduse poole. Info salvestuse tiheduse tõstmiseks kasutatakse ka vertikaalset magneetimist. Kus eri suunas magnetiseeritud piirkonnad ei ole mitte horisontaalselt pinna suhtes aga vertikaalselt. See võimaldab piirkondadae mõõtmeid vähendada.

Return-to-bias recoding

Salvestatav järj. info

Vool salv. peas.

Pinge lugemisel

Sünkro

Non-return to zero one recording

Salvestatav järj. info

Vool salv. peas.

Pinge lugemisel

Sünkro

0 0 0 01 1 11

1 1 10 0 0 10

3/12/2002 T. Evartson 27

Info kodeerimine magnetmälus II (Dta encoding techniques)

Phase encoded recording

Salvestatav järj. info

Vool salv. peas.

Pinge lugemisel

Sünkro

1 1 10 0 0 10

3/12/2002 T. Evartson 28

Kõvaketas Hard DiskKõvakettaga täpsem tutvumine eeldab kirjanduse kasutamist. Siin on toodud vaid mõned mõisted.

Pöörlemiskiirus Pöörlemiskiirus näitab kui kiiresti kõvaketta plaadid pöörlevad. Tavaliseltkiirused 3600, 4500, 5400, 7200, 10000 RPM. Ülekande kiirus. Sisemine ülekande kiirus (Internal transfer rate) - kui kiiresti suudab lugemispea saata infot kontrollerile. Burst ülekandekiirus (Burst transfer rate) näitab liidese ülekande kiirust.Pidev ülekande kiirus (Sustained transfer rate) näitab kui kiiresti liigub info arvuti ja draivide vahel teatud kindala aja jooksul keskmisel. Keskmine päringu kiirus (access time) = Keskmine otsimisaeg (seek time) + varjatud otsimisaeg (latency) Otsimisaeg (seek time) näitab kaua võtab lugeja peal aega, et jõuda õigele rajale (tavaliselt 10 ja 15 millisekundit). Varjatud otsimisaeg (latency) näitab, kaua võtab kõvakettal aeg, et pöörata plaate nii, et pea jõuakse mööda rada liikudes õige punktini, kuhuinfo on salvestatud. Kõvaketta liidesed IDE- (Integrated Drive Electronics või Intelligent Drive Electronics).Personaalarvutite enimlevinud kõvakettaliides. Paralleelnimetus ATA (AT Attachment, eesti k. AT ühendus). Lubab maksimaalset andmete ülekandekiirust 8,3 MB/s. IDE puhul tekivad probleemid suuremate kui 528 MB ketastega. EIDE- (Enchanced IDE). IDE edasiarendus, mille maksimaalne andmete ülekandekiirus on 16,6 MB/s ning mis lubab CD-ROM-i lugejate ja üle 528 MB mahutavate ketaste kasutamist. Lubab maksimaalselt 4 kettaseadme ühendamist. Töökindlus MTBF - keskmine tõrketa tööaeg (mean time between failures) on kõvaketaste puhul 200,000 ja 500,000 tunni vahel.

3/12/2002 T. Evartson 29

Ketta pöörlemiskiirus

CAV (Constant Angular Velocity) -püsiv pöörlemiskiirus. CD-ROM seadmete tööprintsiip, mille puhul ketas pöörleb alati ühesuguse kiirusega sõltumata sellest, kas infot loetakse tema sisemiselt või välimiselt osalt. CLV (Constant Linear Velocity) Väiksema kiirusega CD-ROM lugejates on pöörlemiskiirus muutuv ja seda väiksem, mida kaugemalt ketta keskkohast lugemine parajasti toimub, sest seda rohkem infot ühele täistiirule mahub. Nii saavutatakse püsiv info ülekandekiirus, mis näiteks heliplaadi jaoks on ka hädavajalik. Omadused Constant Linear

Velocity (CLV) Constant Angular Velocity (CAV)

Seadme pöörlemis kiirus

Muutuv Fikseeritud

Ülekande kiirus Fikseeritud Muutuv Kasutusala Tavalised, vanemad

CD-ROM seadmed Uued ja kiired CD-ROM seadmed, kõvakettad, disketi seadmed

3/12/2002 T. Evartson 30

MagnetkettadKettad mis on suurema mahuga kui ümbri kettad (Floppy Disc).

Iomega ZIP drive’i kettale mahub 70 korda enam andmeid kui 3,5- tollisele disketile (100 Mb). Seejuures on ZIP seadme lugemiskiirus üle kahekümne korra tavalisest flopiseadmest kiirem LS-120- (Imations SuperDisk) see on Compaq/Imation- i 120 MB-ne standard. Ühendamiseks kasutatakse EIDE- liidest. Loeb nii vanu 1,44 MB, kui ka uusi 120 MB kettaid, kasutades selleks kahte lugemispead. HiFD (High Floppy Disk) see on Sony disketiseade, mis suudab lugeda 200 MB- seid 3½" diskette. Jaz (kõvaketta kantav version)- seadme maksimaalne pidev andmeedastuskiirus on 6,73 MB/s; keskmine otsiaeg 12 ms; pöörlemiskiirus 5400 pööret minutis; ketta vormindamise aeg 30 min; talub kukkumist 3 meetri kõrguselt; andmed säilivad 10 aastat; keskmine tõrketa töövältus (MTBF) 250 000 tundi. Caleb UHD144 - See uus seade lubab salvestada spetsiaalsele disketile 144 MB, olles samal ajal ühilduv ka vanade 1,44 MB ja 720 KB 3,5” diskettidega. Samsung Pro-FD - See seade on ühilduv ka vanade 3.5-tolliste (1.44Mb and 720Kb) ketastega ning mahutab spetsiaalketastel 123 megabaiti.

3/12/2002 T. Evartson 31

Magnet-optiline ketas

Magnet-optiline salvestus on vastupidavam põrutustele ja kõrgele temperatuurile. Ketta materjali kuumutamisel on nõrga magnet väljaga muuta materjali omadusi nii, et ta hakkab sõltuvalt magnetiseerumise suunas peegeldama erineva polaarsusega valgust. Seega kirjutamine toimub magnet välja toimel ja lugemine optiliste vahenditega.

Väikese intensiivsusegamagnetväli muudab biti ala polaarsust

N

S

Biti ala on umbes üks mikron

Laser, mis kuumutabbiti ala 200 kraadini

Lugemisel peegelduva kiire polaarsus kannab infot.

3/12/2002 T. Evartson 32

Magnet-optiline ketas

MO-ketaste eelised :

• Andmete säilitamine MO-ketastel on mugav. Kettalt lugemine on praktiliselt sama kiire kui kõvaketta korral, kirjutamine umbes kolm- neli korda aeglasem.

• MO-kettal on hõlbus viia andmeid ühest kohast teise. Kui väiksemate andmehulkade viimiseks ühest arvutist teise kasutatakse tavaliselt disketti, siis suuremahuliste andmete jaoks jäävad disketid väikeseks

• Magnetoptilised kettad on oma olemuselt töökindlamad tavalistest kettaseadmetest. MO-kettad taluvad palju paremini magnetvälju kui tavalised magnetkandjad. Samuti on MO-ketaste lubatud temperatuurivahemik suurem 5-45oC. Andmete säilivusajaks pakub näiteks Fujitsu oma ketaste puhul 30aastat.

Magnetoptilisi (MO) seadmeid on väga erineva mahutavusega. Toodetakse nii 3,5” kui ka 5 ¼” seadmeid. 3,5" kettaid on erinevate mahutavustega nt. 128 MB, 230 MB, 650 MB. Kõik senised realisatsioonid kirjutavad ketta ühele küljele. Magnetoptilisi kettaid tehakse ka 5,25- tollistena ning need seadmed võimaldavad suuremaid salvestusmahtusid ja reeglina ka suuremaid kiirusi. Sellised seadmed kasutavad juba ka kahepoolset kirjutamist CAV Constant Angular Velocity, konstantse nurkkiirusega kettad. Pöörlemiskiirus on konstantne ja igal rajal on ühesugune arv sektoreid. Seega paiknevad bitid välimisel rajal suhteliselt väikese tihedusega ja palju ruumi läheb kaotsi. Nii töötab enamik magnetkettaid. Antud meetodit kasutavad tavaliselt ka alates 16-kordsetest CD-ROM-id. CLV Constant Linear Velocity, konstantse joonkiirusega kettad. Siin hoitakse konstantsena parajasti loetava raja joonkiirus. Iga rajavahetuse järel tuleb reguleerida ketta pöörlemiskiirust ning see viib andmeedastuskiiruse alla. Salvestustihedus on kõigil radadel sama ja andmeedastuskiirus konstantne. Seda meetodit kasutatakse laserketaste puhul. ZCAV Zoned Constant Angular Velocity, konstantse nurkkiirusega tsoonkettad. Need kettad paistavad silma muutuva andmeedastuskiirusega: välimiselt rajalt loevad nad pea kaks korda kiiremini kui sisemiselt. Ketas on jagatud tsoonideks ja üks rada sisaldab igas tsoonis erineva arvu sektoreid. Kuna ketta pöörlemiskiirust hoitakse konstantsena, siis liigub välimise raja salvestis lugemispeast lihtsalt kiiremini mööda, võimaldades kiiremat andmeedastust. See meetod on kasutusel paljude SCSI-magnetketaste ja uuemate magnetoptiliste ketaste juures.

3/12/2002 T. Evartson 33

Optiline info salvestamine (Optical Memory Technology)

J

Land

Plaadi alusmaterjal (valgust läbilaskev)

50-100 µm

1,2

mm

Markeering 5µm

10-30 µmKaitsekiht

Pit

Peegeldav materjal

Info salvestamisel kasutatakse peegelduvat materjali milles on augud (süvendid). Rada on CD-ROM-l spiraali kujuline (mitte kontsentrilised ringid nagu kõvakettal). Lugeva laseri positsioneerimine on analoogiline kõvaketta peade positsioneerimisega. Peegeldunud laseri kiir teisendatakse elektriliseks signaaliks. Järgmisel lehel on kirjeldatud info salvestamise füüsikat.

Ketas Disk

Mootor

Valgus sensor

Prisma

Elektrilinesignaal

Laser

3/12/2002 T. Evartson 34

Land

Pit

Foto el.silm

Peegeldused on vastasfaasis ja kompenseeruvad

Laser

Peegeldus

Foto el.silm

Laser

Süvendi sügavus on ¼ lainepikkusest. Kui laseri kiirest osa peegeldub ketta pinnalt ja osa süvendist, siis läbib süvendist peegeldunud kiir kaks korda ¼ lainepikkuse võrra pikema tee. Seega on need kaks osa kiirest nüüd vastas faasis ja kompenseerivad teineteist. Seega tuntakse ära mitte süvendid vaid hoopis üleminekud. Salvestamisel kasutatakse spetsiaalset 14 bitist koodi kus ei ole kunagi kõrvuti kahte ühte. Kuivõrd üleminek vastab ühele ei ole neid võimalik ka kõrvuti teha. Koodis on kahe ühe vahel vähemalt kaks nulli. Selleks, et kahe kõrvuti oleva koodid ei oleks lubamatult lähestikku on iga koodi vahel kolm bitti eraldajat. Laserit kasutatakse valgus allikana sellepärast, et laseri valgus on monokroomne ja kogu allikast lähtuv valgus pean olema samas faasis.

3/12/2002 T. Evartson 35

CD-R, CD-RW

CD-R Sarnaneb ehituselt CD-ROM-ile, kuid põhimiku ja metallikihi vahel on valgustundlikust orgaanilisest materjalist (tsüaniin või seda sisaldavad segud) andmekiht. Põhimikku on pressitud pidev spiraalvagu, mille järgi kirjutav seade hiljem kirjutuslaserit positsioneerib (kirjutamiseks kasutatakse kõrge intensiiivsusega laserkiirt). Kirjutamisel tekitatakse vagudevahelisele alale “lohke”. Need ei ole tegelikult lohud, vaid materjali kerge sulatamisega mittepeegeldavaks muudetud piirkonnad, mida CD- seadme laser peab lohkudeks. CD-RW CD-RW andmekihi pind koosneb erilistest keemilistest komponentidest, mis võivad oma olekut korduvalt muuta ja säilitada, sõltuvalt temperatuurist. Materjali kuumutamisel ühe temperatuuriga ja seejärel jahutades, aine kristalliseerub ning teise temperatuuriga kuumutades, võtab aine mittekristalliseerunud oleku. Kui aine on kristalliseerunud, peegeldab ta rohkem valgust kui mittekristalliseerunult, seega saab kristalliseerunud pinda kasutada kui põhipinda "land" ja mittekristalliseerunud kohta lohuna "pit". Seega peab CD-RW seade kasutama korduvkirjutamisel kahte erinevat laserikiire võimsust.

15

Lugemine

KirjutamineLaseri võimsusmW

8Kustutamine

3

0,1 – 0,7

Kristallilise piirkonnatekitamine (ppegeldab valgust)

Amorfse piirkonna Tekitamine (ei peegelda valgust)

600 600Temp Temp200 200

3/12/2002 T. Evartson 36

Holograafiline salvestus

Holograafiline mälu võimaldab väga suurt info tihedust kuid paljude tehniliste probleemide tõttu ei ole veel laialdaselt kasutusel.

Hologramm

Signaalkiir Tugikiir

HologrammNäiline kujutis

Lugemiskiir

Silm

DetektoritehulkSLMSpatial LightModulato

Salvestus-materjal

rTugikiir

3/12/2002 T. Evartson 37

Pinumälu-FILO I (Stack)

Pinumälu seaduspärasus väljendub inglise keelses lühendis: First In Last Out. Pinumällu kirjutamisel näitab alati pinumälu osuti (Stack Pointer – SP või Top Of Stack - TOS) alati viimasele sinna kirjutatud sõnale. Seega saab lugeda esimesena ainult sinna viimasena salvestatud sõna ja sõna mis kirjutati mällu esimesena loetakse välja viimasena. Realiseeritakse protsessoris kas programselt – see tähendab pinumälule eraldatakse teatud mälu piirkond ja SP on salvestatud spetsiaalsesse registrisse. Alati kui toimub kirjutamine siis modifitseeritakse SP väärtust, et tanäitaks esimesele vabale pesale ja siis salvetatakse sõna. Lugemisel vastupidi – alguses loetakse sõna ja seejärel modifitseeritakse SP, et ta osutaks järgmisele varem salvestatud sõnale pinumälus. Riistvaralise realisatsiooni korral on pinumälu põhimõtteliselt rida ühise juhtimisega nihkeregistreid kus infot saab nihutada. Igale sõna bitile vastab oma nihkeregister. Kiiremat riistvaralist realisatsiooni kasutatakse spetsiaalsetes kohtades, üldotstarbelistes protsessorites on tavaliset programne realisatsioon.Pinumälu kasutatakse: alamprogrammide poole pöördumisel tagasipöörde aadressi salvestamiseks, samuti katkestuste korral.

3/12/2002 T. Evartson 38

Pinumälu-FILO II (Stack)

2

Tühi pinumälu 3 412

PUSH 1(kirjutamine)

3 4TOS1

PUSH 243

TOS 2

1

PUSH 4

1

3TOS4

2

POP (lugemine)

1

4 3

TOS 2

3/12/2002 T. Evartson 39

Programne pinumälu

Mälu PUSH 2300…0

Pinu

mäl

upi

irkon

d m

älus

00…0

TOS (SP)

Tühi

23TOS (SP)

Pinu

mäl

upi

irkon

d m

älus

FF…FFF…F

PUSH 45Pop

00…000…0

23

45TOS (SP)

23TOS (SP)

Pinu

mäl

upi

irkon

d m

älus

Pinu

mäl

upi

irkon

d m

älus

FF…FFF…F

Kirjutamisel (PUSH) kõigepealt SP:= SP-1 ja seejärel kirjutamine mällu.

Lugemisel (POP) kõigepealt loetakse mälust ja seejärel SP:=SP+1

3/12/2002 T. Evartson 40

Pinumälu riistvaraline realisatsioonJuhtimine

Control

NihkeregistridPUSH POP

JuhtimineControl

Nihe alla

0 0 1

PUSH 3

1

PUSH POP

JuhtimineControl

Nihe allaPUSH 9

1

0

0

0

0

1

1

1 PUSH POP

JuhtimineControl

Nihe ülesPOP

0 0 1 1

PUSH POP

3/12/2002 T. Evartson 41

FIFO tüüpi mälu

Puhvermälu tööpõhimõte on First In First Out. Sõna mis kirjutati esimesena mällu lotakse esimesena välja. Kasutatakse näiteks erineva andmeedastus kiirusega seadmete vahel info puhverdamiseks.

TÜHI

Write 4646

TÜHI

TÜHI

TÜHI

TÜHI

TÜHI

TÜHI

20

50

TÜHI

46

Write 50

46

Write 20 20

TÜHI

TÜHI

Read

TÜHI

50

TÜHI

TÜHI

Read 50

20

TÜHI

TÜHI

46 20

3/12/2002 T. Evartson 42

Arvuti käsud poola pöördkuju arvutis töötavad pinumälul. Olemas on käsk pinumällu kirjutamiseks (PUSH) ja sealt lugemiseks (POP).

Poola pöördkuju (Reverse Polish Notation).

Push POP

A BB

Aritmeetika-loogika (näiteks liitmine) käsud teostatakse pinumälu pealmiste pesadega ja tulemus pannakse pinumälu peale. Seega kogu käsusüsteem on seotud ainult pinumäluga

AA

B A

B B

+

A

BA+B

3/12/2002 T. Evartson 43

Poola pöördkuju näide (Reverse Polish Notation Example).

Arvuti millel on ainult käsud PUSH, POP ja aritmeetika tehted pinumälukahe pealmise pesaga. Resultaat salvestatakse alati automaatselt pinumälupeale viimaseks.

Näiteks .(8+2x5)/(3-1) = 9Vastav poola pöördkuju825x+31-/

PUSH 8 PUSH 2 PUSH 58 2 5

8 2

8

PUSH 3 MUL 10 ADD 18 3

8 18

PUSH 1 1 SUB 2 DIV 93 18

18

3/12/2002 T. Evartson 44

Alamprogrammi poole pöördumine

Näide pinumälu kasutamsisest alamprogrammi poole pöördumisel.

Põhiprogramm

Call AP1

Alamprogramm AP1

Call AP2

Ret

Alamprogramm AP2

Ret

3/12/2002 T. Evartson 45

Pinumälu ja alamprogrammid (The Stack and Subroutines)

IR

Call 001F

001F

Mov a, b

ADD c, d

Ret

Algseis : PC=0011SP=FF06

1. Fetch (IR:=Call 001F)2. PC :=PC+1 (0012)3. SP:=SP-1 (FF05)4. Push (salv. Pinumälusse)

PC väärtus (0012)5. Juhtimine läheb

alamprogrammile (PC:=001F)6. Alamprogrammi täidetakse

tagasipöördumise käsunis.o. PC=00AF

7. Loetakse pinumälust tagasipöörde aadress 0012 salvestatakse PC-sse

8. SP:=SP+19. Programmi täimine jätkub.

XXX

0012 Pinumälu

FF06

FF05

1

SP4

PC

00AFPC

Alam

programm

0000

PC0011

PC2 0012

7

5

5

FF04

3SP

FFFF

3/12/2002 T. Evartson 46

Kahe pordiga mälud (Dual port RAM)

Kahe posdiga mälud võimaldavad samaaegselt ühe aadressi järgi kirjutada ja teise järgi lugeda. Näiteks videomälu kus protsessori poolelt kirjutatakse kujutise infot mällu ja teiselt poolt toimub kujutise laotamine ekraanile.

SRAM Module256x8

Latches

Write Logic

WCLK

WEN

WRAD[7:0]

WritePortLogic

ReadPortLogic

Latches

Read Logic

RCLK

REN

RDAD[7:0]

WD [7:0]

Latches

RD [7:0]

3/12/2002 T. Evartson 47

Assotsiatiivmälu Content-Adressable Memory – CAM, Associative Memory

CAM-s on võimalik otsida infot sõna sisu järgi, aga mitte aadressi jrgi ja saada teada kas teine osa sõnast või tema aadress. Kasutatakse näiteks vahemäludes (Cache)

Andme register

Maski register

.

.

.

.

.

.

Tulemuseregister(W-bitti)

.

.

.

w

w

SõnaValikuRegister(W-bitti)

Mitme sõna

kokkulangemiselahendamine

MultipleMatch

Resolver(MMR)

W mälu sõna

3/12/2002 T. Evartson 48

CAM näide

Andme register (otsitav kood)

0 0 1 1

Maski register (bitid mille järgi otsitakse)

1 1 0 0 Valiti sõna 1

0

1

0

1 0 11

0 0 01

0 1 11

1 0 00

0 0 11

0 0 01

0

1

2

3

4

5

0

1

0

0

1

0

1

1

0

0

MMR(esimese

valik)

TulemusedKui mitu langevad kokku siis tuleb teha valik milline neist võtta. (näiteks valitakse esimene).

Sõna valik(sõnadmisosalevadotsingus)

3/12/2002 T. Evartson 49

Assotsiatiivmälu pesa CAM Cell

D

J

K

Q

Q

&

&

1

1

M

1

Vastus

Vastus = M + D Q + D Q

MaskM

VastusAndmedD

Q

0 0 0 10 0 1 10 1 0 10 1 1 01 0 0 11 0 1 11 1 0 01 1 1 1