DIGITÁLIS ADATTÁRAK (MEMÓRIÁK)

Átírás

1 DIGITÁLIS ADATTÁRAK (MEMÓRIÁK) A digitális berendezések a feladatuk ellátása közben rendszerint nagy mennyiségű adatot dolgoznak fel. Feldolgozás előtt és után rendszerint tárolni kell az adatokat ritka az olyan eszköz, amely a feldolgozás ütemében kapja és továbbítja az adatokat. 1

2 5.1 FÉLVEZETŐ ALAPÚ MEMÓRIÁK A félvezető alapú memóriák elektronikus áramkörökkel oldják meg a tárolást. A tranzisztorok bekapcsolt és kikapcsolt állapotát használják fel a nullások és az egyesek tárolására. Elvileg egy memóriacellához (egy bit tárolására) elegendő egy tranzisztor, de rendszerint több másik tranzisztor is szükséges a címzés- és más funkciók megvalósításához. 2

3 A tárolás módja lehet statikus (tartós) vagy dinamikus (ideiglenes). A statikus tárolás cellánként egy flip-flopot feltételez. A dinamikus tárolás rendszerint nagyon költséghatékony, mindössze egy tranzisztor parazita kapacitását kell feltölteni vagy kiüríteni a beíráshoz, de periodikus frissítést igényel, különben elveszik a tartalom (leszivárog a töltés). 3

4 A cellákhoz való hozzáférés sorrendjében is jelentős különbségek vannak: a digitális adattárolás kezdetén csak soros hozzáférés volt lehetséges, ki kellett várni, hogy a késleltetési vonalban keringő tartalom, vagy a mágnesszalag adott pozícióra érjen. Nagy előrelépés volt, amikor tetszés szerinti memóriacellához, várakozás nélkül hozzá lehetett férni (random access, pl. a ferritgyűrűs memóriáknál vagy a későbbi RAM-oknál). 4

5 Minden esetben a félvezető memória IC-k az alábbi tömbvázlattal ábrázolhatók: 5

6 A központi rész a memória mező (MEM). A külső áramkörökkel a kapcsolat címvonalakon- (C), adatvonalakon- (A) és a vezérlő vonalakon keresztül valósul meg. A címvonalakra hozott jelek végzik a megfelelő cella kiválasztását: nem elegendő csak tárolni az adatot, azt is tudni kell, hogy hova. Az adatvonalak sok esetben kétirányúak: rajtuk keresztül fogadja az áramkör a beírandó értékeket, ill. adja ki a kiolvasott tartalmat. A működést a vezérlőjelek ellenőrzik: eldöntik, hogy írásról vagy olvasásról van-e szó. 6

7 STATIKUS RAM (SRAM) A RAM-okban a tárolást engedélyező bemenettel rendelkező, D típusú latch-ekkel végezzük, ezek képeznek egy-egy memória cellát. Beíráskor aktivizáljuk az engedélyező jelet (E), a kimenet (Q) elvileg mindig rendelkezésre áll. 7

8 A RAM-ok tömeges tárolásra szolgálnak (rendszerint sokmillió bit tartalmat képesek megjegyezni), ami hatékony belső szervezést követel. Az ábrán látható módon, dekódoló áramkörrel történik az aktuális cella kiválasztása. 8

9 DINAMIKUS RAM (DRAM) A statikus RAM könnyen használható, de nem számít olcsó megoldásnak, mivel egy memória cellához (egy bit tárolásához) rendszerint 6-8 tranzisztor szükséges. Egyszerűbb megoldást kínál a kondenzátorban történő töltés tárolás. Ha egy MOS tranzisztor bemenő kapacitását adott szintre feltöltjük, a tranzisztor állapota megváltozik (vezet, vagy nem vezet). Ilyen módon egyetlen tranzisztorral tudunk egy bitet tárolni. 9

10 A gond csak azzal van, hogy a tárolt töltés fokozatosan elszivárog, tehát, ha hosszabb időn keresztül szeretnénk tárolni a tartalmat, időnként (rendszerint periódikusan) frissíteni kell azt (újra kell tölteni). A tárolást végző kondenzátorok töltöttségi állapotát erősítők érzékelik és továbbítják a kimenetre a megfelelő bináris értékeket. Ugyanezek az erősítők végzik a frissítést is. Egyszerre nem egy cellát, hanem egy egész sort lehet frissíteni. 10

11 A frissítés rendszerint 64ms-onként ismétlődik. 11

12 A dinamikus RAM-okat gyakran nem egyenként árusítják, hanem több IC-t egy nyomtatott lapra szerelve, ezekből alakítják ki a személyi számítógépek operatív memóriáját. Egy ilyen memória lapot mutat a következő ábra (1GByte kapacitású egység, 204 kivezetéssel): 12

13 ROM A digitális berendezések építésénél rendszerint van olyan igény, hogy bizonyos változatlan tartalmat (alap-szoftver, beállítások, stb.) kell őrizni a berendezés teljes élete során. Ilyen feladatokat látnak el a ROM-ok (read only memory csak olvasható memória). Szerkezetileg a ROM egy kódátalakító (kombinációs hálózat), nem tartalmaz latch-eket. A bemenetre vezetett címeket az egyik kódrendszer kódjainak tekintjük, a kiolvasott tartalom pedig a másik kódrendszer egy kódja. 13

14 A közönséges ROM-ok esetében a beírás bizonyos belső vezetékek megszakításából vagy összekötéséből áll. Az eljárás nem ismételhető. A beírás végezhető gyárilag (mask programmable ROM) nagysorozatú termékekhez célszerű a ROM gyártójával elvégeztetni a programozást. 14

15 EPROM A fejlesztési munkákra sokkal alkalmasabb az EPROM, ennek tartalma ibolyántúli sugárzással törölhető. Az 1970-es és 80-as években volt ezeknek az alkatrészeknek a fénykora, de kisebb mértékben ma is alkalmazásban vannak. 15

16 A tárolás módja hasonlít a dinamikus RAM-oknál látotthoz (5.1.2 szakasz), csak az állapotot őrző kondenzátor (a tranzisztor bemenő kapacitása) jól el van szigetelve a környezettől, ennek köszönhetően az egyszer beírt tartalom sok évig megmarad. A beírás kissé nehézkes: viszonylag nagy feszültségre (12V, 21V) és az olvasáshoz képest hosszú időre van szükség, hogy megfelelő elektródával töltéseket juttassunk a szigetelt vezérlőelektródára. 16

17 A törlés nem lehetséges villamos jelekkel, viszont az egész tartalom egyidejűleg törölhető ibolyántúli fénnyel. ROM-okkal azonos lábkiosztással készítenek EPROM-ot is, a különbség csak az ablak: 17

18 EEPROM Az EEPROM (electrically erasable PROM) használata könnyebb, mivel a tartalom villamos jelekkel törölhető, nincs sem szükség, sem lehetőség ibolyántúli fény használatára, ráadásul tetszőleges cella tartalma törölhető (egyenként). Viszonylag összetett a cella szerkezete, ezért ez a megoldás költséges. Nem jellemző nagy kapacitású egységek gyártása (néhány kbyte-ig). Alkalmazni olyan helyen szokták, ahol kisebb-, de változtatható kapacitású ROM-ra van szükség, pl. rendszerparaméterek tárolására. 18

19 FLASH MEMÓRIA A flash memória (flash EPROM) ma a legelterjedtebb azon memóriák közül, amelyek táp nélkül is megőrzik tartalmukat. Alkalmazzák őket a mobiltelefonoktól az autóiparig. Mindenképpen nagy előnye az EPROM-hoz képest, hogy villamos úton törölhető a beírt tartalom. 19

20 A programozások és újraírások száma nem végtelen, kezdetben ciklust emlegettek, ma az egymillió a jellemző. Az egymillió talán soknak tűnik, de egy mikrovezérlő gyorsan tud ennyi beírást produkálni, ha a tervező nem gondolja át kellően az alkalmazást. 20

21 5.2 DIGITÁLIS ADATOK MÁGNESES TÁROLÁSA A fejezet elején áttekintettük a ma már elavultnak tekintett mágneses adattárolási lehetőségeket. Itt röviden a ma használatos megoldásokat tárgyaljuk. 21

22 A bevezetőben említett mágneses szalagra történő tárolás fő hiányossága, hogy az adatokhoz csak sorban lehet hozzáférni. Ennek a problémának a megválaszolására születtek meg a mágnes lemezes (floppy- és merevlemez) és mágnes hengeres tárolók. Az adathordozót egy motor forgatja, az író/olvasó fejeket meg szervomotorok pozícionálják az adathordozó megfelelő része fölé. 22

23 Hordozható adattárolónak a hajlékony mágneses lemezek (floppy disk) feleltek meg jobban, így azok terjedtek el. A szabványos átmérők 8, 5¼ és 3½ inch. A hordozható lemezeknél nagy a mechanikai sérülés veszélye és a környező mágneses terek okozta adatvesztés veszélye, de gond van a meghajtó egység szennyeződésével is, mivel az nyitott szerkezetű. 23

24 A biztosabb adattárolás végett célszerű a hajlékony lemez helyett állandóra beépített merev lemezt használni, a belső teret hermetikusan lezárni. Így nem kell félni a porosodástól, a fej sokkal közelebb helyezhető a lemezhez, jobban lehet tömöríteni az adatokat. Az első merevlemezes tárolók viszonylag nagy méretűek voltak, a kapacitásuk viszont csak a néhányszor 10Mbyte szinten mozgott. 24

25 Mára a méretek rendkívül lecsökkentek, a jellemző kapacitások meg több száz Gbyte és néhány Tbyte körül mozognak. 25

26 A merevlemez megfelelő vezérlőn keresztül kommunikál a számítógép központi egységével. A mai merevlemezekbe beépítik a vezérlőt. Az író/olvasó fej analóg jelekkel dolgozik, ezeket digitalizálják, majd úgy csomagolják, hogy a számítógép alaplapjának sínjére lehessen továbbítani. A vezérlő mindig alkalmaz valamilyen hibaellenőrzési eljárást is, pl. összegzi az adatokat és ellenőrzi az összeg értékét. 26

27 5.3 OPTIKAI TÁROLÁS A CD-n (compact disc) és a DVD-n (digital versatile disc) történő tárolást soroljuk ide. Az adatok beírása egy műanyag hordozóra felvitt vékony fémrétegre történik. A hordozó tárcsa alakú, a legszabványosabb átmérő 120 mm, a vastagság 1,2 mm. CD esetén a kapacitás 700Mbyte, DVD esetén néhány gigabyte nagyságrendű. 27

28 Az írás és az olvasás vörös tartományba eső lézersugárral történik. Viszonylag erős lézersugárral megváltoztatják az adathordozó felület színét. Egy gyöngébb lézersugárral a megváltoztatott állapot visszaolvasható. A CD minimális (1x) írási sebessége 153,6 kb/s. A DVD minimális (1x) írási sebesség 1385 kb/s, de rendszerint ennek többszörösét használják. 28

29 A központi részen elhelyezkedő, korong alakú alkatrész a forgató motor, tőle balra és felfelé a lézerfej látható. Az írás spirál alakban történik. A forgató- és a fejet meghajtó mechanizmus mozgásának pontos összehangolásával a lézersugár követni tudja a spirált. 29

30 A spirál követéséhez szükséges, hogy ne legyenek nagyobb üres szakaszok (nullák hosszú sorozata), ennek megoldására a nyolcbites információt 14 bittel kódolják, vigyázva, hogy minden kódszóban legyenek egyesek. A kódolás hibajavítást is lehetővé tesz. 30

31 A 31