Адаптер связи ОЗУ с синхронной системной шиной

На сегодняшний день компьютеры проникли во все сферы деятельности человека, начиная с начального образования и заканчивая изучением новейших технологий, изучения новых видов материи, неизвестных пока человечеству. Применение компьютерных технологий облегчает процесс образования в средних и высших учебных заведениях, как самих учеников, студентов, так и рабочего персонала. Автоматизация обработки информации позволяет в считанные секунды проделать работу, на которую раньше терялись недели, информирование руководителей о состоянии предприятий и рабочих мест происходит мгновенно. А благодаря разнообразию программного и аппаратного обеспечения сегодня возможно использование всех потенциальных возможностей компьютерных технологий.

Оперативное запоминающее устройство - (ОЗУ, RAM — Random Access Memory) позволяет записывать и считывать данные средствами микропроцессора. При отключении питания данные не сохраняются, таким образом, ОЗУ не является энергонезависимым. ОЗУ используется, как правило, для временного хранения промежуточных данных в процессе расчетов.

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления.

При синхронном обмене ведущее устройство не анализирует готовность ведомого устройства, предполагая, что ведомое устройство всегда готово к обмену. Такой метод обмена применим в случае, если ведомое и ведущее устройства обладают примерно одинаковым быстродействием.

В связи с тем, что в современном мире ЭВМ развиваются очень быстро и нужны новые решения для ускорения обмена информации, в данной работе мы будем разрабатывать адаптер связи ОЗУ с синхронной системной шиной, для этого нам необходимо:

1. Проанализировать существующие ОЗУ и системные шины компьютеров;
2. Разработать структурную схему адаптера связи ОЗУ с синхронной системной шины;
3. Выбрать элементы и узлы устройства;
4. Разработать принципиальную схему устройства.

В результате работы мы получим адаптер связи ОЗУ с синхронной системной шиной.

шина компьютер адаптер связь

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

1.1    Анализ архитектуры и структуры существующих устройств

Одним из основных компонентов компьютера является оперативная память, которая служит местом хранения информации и для дальнейшей ее передачи процессору, жесткому диску, другим внешним устройствам. Она располагается в специальных разъемах на материнской плате. Оперативная память является тем местом, где хранятся данные и команды, с которыми работает центральный процессор, и представляет собой схему из огромного количества мельчайших конденсаторов и транзисторов (одна такая пара позволяет обычно хранить один бит). Если бы не существовало оперативной памяти, то данные располагались бы на жестком диске, и время обращения к ним резко бы увеличилось, что привело бы к резкому снижению общей производительности компьютера.

Оперативную память также обозначают RAM (Random Аccess Memory - память произвольного доступа). Понятие произвольного доступа означает, что можно обратиться к произвольной ячейке памяти, в отличие от последовательного метода доступа, когда для доступа к ячейке нужно вначале прочитать другие данные, которые находятся до данной ячейки (примером может служить магнитная лента).

Оперативная память изготовляется в виде микросхем, крепящихся на специальных пластинах, которые устанавливаются на материнской плате в соответствующие разъемы. При включении компьютера операционная система загружается в оперативную память, затем в нее загружаются программы приложения, например, Word, и данные, например, документы. Центральный процессор управляет загрузкой программы, данных в оперативную память, далее происходит работа с данными, находящимися в оперативной памяти, а не на жестком диске. Если требуются данные, которые находятся на жестком диске, то информация вначале загружается в оперативную память, после чего она вызывается для обработки центральным процессором. После обработки она снова помещается в оперативную память и затем заносится на жесткий диск. То есть центральный процессор работает с инструкциями и данными, которые находятся в оперативной памяти, а все другие устройства (диски, магнитная лента, модемная связь и пр.) действуют через нее. Поэтому оперативная память имеет огромное влияние на работу компьютера. Так как оперативная память предназначена для хранения данных и программ только во время работы компьютера, то после выключения электропитания все данные, которые в ней находились, теряются.

Типы архитектуры ОЗУ:

Самой первой была архитектура FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM - быстрая со страничным способом), имеющая два вида памяти с разным временем доступа: 60 и 70 нс; микросхемы с доступом 60 нс работают при частоте системной шины 60, 66 МГц. FPM называется также стандартной памятью и работает в пакетном режиме чтения цикла 5-3-3-3.

Следующей модификацией памяти является EDO DRAM (Extended Data Output DRAM - расширенный вывод данных DRAM). Быстродействие достигается за счет дополнительных регистров, в которых хранятся данные в течение следующего запроса к микросхеме и которые позволяют начать следующий цикл до того, как закончится предыдущий. Работает на 10-15% быстрее, чем FPM DRAM. Имеет время доступа 50 нс, 60 нс (для шины с частотой 66 МГц) и 70 нс. Используется на материнских платах с частотой шины до 66 МГц и процессорами Pentium, реже с 486-процессором. В силу того, что при частоте системной шины более 66 МГц работает неустойчиво, постепенно ушла с рынка.

EDO обеспечивает конвейеризацию при работе памяти. Она используется в платах SIMM-72 и DIMM, при этом в них не используется проверка на нечетность, но могут запоминаться контрольные суммы ЕСС. Данный тип памяти может использоваться как в оперативной памяти, так и в видеопамяти. Для работы с данным типом нужно, чтобы BIOS мог работать с ними, так что старые материнские платы могут их не поддерживать. Некоторые платы определяют при помощи соответствующего BIOS тип модуля памяти и допускают одновременную установку стандартной и EDO памяти. Достигает при пакетном режиме чтения цикла 5-2-2-2.

BEDO (Burst EDO - пакетный EDO) - позволяет считывать данные блоками или пакетами за один такт. Развилась из SDRAM и работает на частоте системной шины 66 МГц. В BEDO получили дальнейшее развитие принципы конвейерной обработки. Данная память требует несколько больше времени на выборку первого данного в пакетном режиме, но обеспечивает более быструю выборку следующих данных. Она также используется в платах SIMM-72 и DIMM. Достигает при пакетном режиме чтения цикла 5-1-1-1.

SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная DRAM) - обеспечивает конвейерную обработку данных и чередование адресов, что увеличивает ее производительность. Все операции в таких микросхемах синхронизированы с тактовой частотой CPU и работают с тактовыми частотами системной шины до 133 МГц, причем время рабочего цикла составляет 8-10 нс при частоте системной шины 100 МГц. Для современных шин существует память РС100, РС133, где цифры указывают частоту системной шины. Работает быстрее, чем EDO DRAM, однако при частоте шины до 66 МГц разница в производительности не существенна.

Память SDRAM является наиболее перспективной, особенно для больших тактовых частотах системной шины компьютера, которую не может эффективно поддерживать памяти других типов. Данная память устанавливается на платах DIMM или как микросхема на системную или видеоплату. Достигает при пакетном режиме чтения цикла 5-1-1-1.

SDRAM II (DDR SDRAM) позволяет обрабатывать команды доступа параллельно в их независимых банках памяти, что убыстряет время доступа. Данная память ускоряет работу за счет использования переднего фронта и спада импульса в два раза, имеет обозначение РС1600, РС2100, где цифры обозначают количество Мбайт/сек, которые могут быть переданы по шине, соответственно 1 600 Мбайт/сек с использованием системной шины 100 МГц, а 2100 - для 133 МГц. Однако они должны поддерживаться чипсетом.

Память Direct RDRAM является перспективной памятью, на которую перешла компании Intel. Она может работать с тактовой частотой шины 400 МГц/сек, с пропускной способностью до 1 600 МГц/сек, позволяя передавать данные на переднем и заднем фронтах импульса, обеспечивает конвейерную выборку данных. Кроме указанных, существует память SLDRAM, которая, как и Direct RDRAM, на частоте 400 МГц позволяет осуществлять передачу данных до 1 600 байт/сек.

Существуют модификации вышеуказанных типов памяти, например, CDRAM (Cashe RAM), EDRAM (Enhanced RAM) – является памятью DRAM, в которой имеется статическая память, используется как буферная память в модуле. Время доступа к данным в указанных выше видах памяти составляет от 50 до 70 нс.

Кроме того, существуют другие виды памяти, которые устанавливаются на графических (видео) картах (но не для оперативной памяти) – VRAM, SGRAM, GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5. Где GDDR2 построен на основе DDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5 построены на основе DDR3.

1. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2004. – 703 с.
2. Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. – 2-е изд., перераб. и доп. /А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; Под ред. А.П. Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 2001. – 512 с.
3. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. – СПб.: Питер, 2007. – 539 с.
4. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – 5-изд., стер. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с.
5. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления: учебное пособие для студентов учреждений среднего проф. образования. - М.: Форум: Инфра-М, 2007. - 384 с.
6. Музылева И.В. Элементарная база для построения цифровых систем управления: учебное пособие. - М.: Техносфера, 2006. - 144 с.
7. Гудвин Г.К. Проектирование систем управления / Гудвин Г.К., Гребле С.Ф., Сальгадо М.Э. - М.: БИНОМ, 2010. - 911 с.
8. Дорф Р.К. Современные системы управления / Дорф Р.К, Бишон Р.Х. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2004. – 832 с.
9. Кузин А.В. Микропроцессорная техника: учебник / А.В. Кузин, М.А. Жаворонков. – 3-е изд. – М.: Академия, 2007. – 304 с.
10. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Входные и выходные параметры и типы соединений. Технические требования: ГОСТ Р 517721-2001. – Введ. 2002-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 2001. – 27 с.
11. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам. Межгосударственный стандарт ГОСТ 2.105-95. – Введ. 1995-09-08. – М.: Изд-во стандартов, 1996. – 25 с.
12. Чье Ен Ун. Схемотехника. Лабораторный практикум. – Петропавловск-Камч.: Изд-во КамчатГТУ, 2002. – 56 с.