Б. Регистры

Регистр ИР22 представляет из себя восьмиразрядный регистр на статических D-триггерах с тремя состояниями выхода. Статические триггеры иногда называют триггерами с потенциальным входом синхронизации. Его схемотехническое обозначе- ние и функциональная схема одной ячейки приведена на рис. 2.37,а) и б) соответствен- но. Восемь параллельных ячеек имеют общие входы синхронизации и разрешения вы- хода. Выпускается в серии ТТЛШ и k-МОП. Не трудно догадаться, что запись в ре- гистр осуществляется при низком уровне на входе синхронизации, но содержимое D- триггеров появляется на выходе только после перевода вывода ОЕ` внизкое состояние.

^D RG 0

1

2

3

4

5

6

Q

0 Di

1

2

3

4

5

OE

6

Регистр ИР28 является динамическим анало- гом ИР22. Запись осуществляется по фронту импуль- са синхронизации. Для того, чтобы записать инфор-

^Qi мацию, необходимо на входах D выставить требуе- мые уровни сигналов, затем сформировать отрица- тельный импульс на входе синхронизации и при его окончании (появлении перехода из нуля в единицу -

		D	T
C
		C

7 7

C _a)

OE

Рис. 2.37.

кие регистры удобно подсоединять к типовым мик- ропроцессорам. Линию записи WR` микропроцессо-

ра, а она активна в низком уровне, можно непосредственно присоединять к выводу син- хронизации С.

В. Схемы памяти

Речь здесь идет не о памяти вообще, а об электронных схемах памяти. Память де- лят на постоянную или масочно программируемую (ПЗУ), репрограммируемую и опера- тивную. В постоянное или масочно программируемое ПЗУ программный код зашивает- ся в процессе его производства и изменен быть не может. Такие ИС применяют для уст- ройств массового применения при стабильной программе выпуска. В САУ технологиче- ским оборудованием ПЗУ применяют крайне редко.

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства РПЗУ программи- руются у пользователя. Основу современных РПЗУ составляет МОП транзистор с пла- вающим затвором (рис. 2.38). Плавающий затвор никуда не присоединен и находится в

плавающий затвор изолятор ^затвор исток

p

n

сток

p

слое окисла под основным управляющим затвором. При подаче на управляющий затвор положительного напряжения около 20…25 В, электроны с подложки диффундируют через изолятор (окись кремния SiO₂) и собираются на плавающем затворе. При этом их электрическоеполе блокирует действиеуправляюще-

подложка канал

Рис. 2.38.

го затвора и состояние МОП-транзистора уже изме- нить нельзя, он все время будет закрыт. В то время,

как МОП транзисторы с незаряженным плавающим затвором управляются (открываются и закрываются). Заряд на плавающем затворе сохраняется десятилетия и все это время схема памяти, составленная из МОП транзисторов с плавающими затворами будет хра- нить записанный в нее код.

Для стирания информации необходимо снять заряд с плавающего затвора. Это де- лают двумя путями – облучением кристалла ультрафиолетовым излучением, либо подачей на подложку положительного напряжения относительно управляю-

	A0	EPROM	D0
	A1		D1
	A2		D2
	A3		D3
	A4		D4
	A5		D5
	A6		D6
	A7		D7
	A8
	A9
	A10
	UPR OE CS
			5V

щего затвора.

Для того чтобы ультрафиолетовое излучение попало на окисел, в корпусе ИС над кристаллом делают кварцевое окошко, прозрачное для ультрафиолетовых волн. Около двадцати минут под ультрафиоле- товой лампой – и схема все забыла. Стирать можно только все сразу. Запись информации побайтно. Причем время записи составляет уже не десятки наносекунд, как у схем статического ОЗУ, которые мы рассмотрим далее, а миллисекунды. При емкости памяти десятки и сотни килобайтэто уже заметноевремя. Программирование проводят

Рис. 2.39.

в специальных программаторах, для чего схема должна выниматься из платы, поэтому такие РПЗУ размещают в специальных колодках.

Схемы с ультрафиолетовым стиранием носят индекс РФ. Схемотехническое обозначение ИС с ультрафиолетовым стиранием приведено на рис. 2.39.

85

Для считывания информации необходимо задать адрес ячейки, затем выбрать кри- сталл, активизировав вывод CS` и подать разрешение выдачи ОЕ`. Содержимое адресуе- мой ячейки появится на выводах D0…D7.

Существуют однократно программируемые схемы, у них просто прозрачное окош- ко отсутствует, поэтому они значительно дешевле.

Схемы с электрическим стиранием информации обозначают символами РЕ, они построены сходно со схемами с ультрафиолетовым стиранием. Оно также проводится по всей схеме, либо блоками путем подачи повышенного напряжения на подложку. Стира- ние, как и программирование проводится в специальном программаторе и сопряжено с выемкой схемы из платы.

Стремление упростить процесс перепрограммирования РПЗУ привело к созданию флешпамяти. В основе также транзистор с плавающим затвором, однако окисел под ним столь тонок (порядка ста нанометров), что пяти вольт достаточно, чтобы плавающий за- твор зарядился. Схема флешпамяти может программироваться непосредственно на плате, но для этого нужна специальная программа, многократно записывающая информацию в ячейки. Стирание также производится блоками, либо всей схемы целиком, но, в отличие от электрически стираемого РПЗУ, непосредственно на плате.

Сейчас флешпамять – широко распространенный элемент, к которому все давно привыкли. На схемах флешпамяти выполняют флешдиски, все активнее вытесняющие обычные дисковые накопители, особенно в системах управления. Здесь обычно не требу- ется хранить исключительно большие объемы информации, но требуется повышенная на- дежность. Особенно флешдиски выигрывают при использовании в подвижных объектах, в которых гироскопический эффект обычных дисковых накопителей приводит к повышен- ным нагрузкам на опоры.

Циклы стирания РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации сопряжены с облучением окисла и накапливанием в нем дефектов. При записи диффузия электронов через окисел также не проходит бесследно дляего качества. ПоэтомупервыеРПЗУ невы- держивали более десяти циклов перезаписи. Число циклов перезаписи для схем флешпа- мяти составляет уже сотни тысяч. На первый взгляд это очень много, но, если флешпа- мять эмулирует диск, может оказаться не достаточно. Операционная система может дос- таточно активно использовать и нагружать дисковое пространство.

Разработаны специальные операционные системы, ориентированные на примене- ние на флешдисках. Это флешДОС, специальные версии Neutrino и другие. Они равно- мерно загружают все дисковое пространство, не создавая временные файлы водной и той же области.

Схемы оперативной памяти ОЗУ или памяти спроизвольным доступом (Random Memory Access RAM) бывают статические и динамические. Основу ячейки динамиче- ской памяти составляет сформированный на кристалле конденсатор, заряд на котором, ес- ли он есть, должен с некоторой периодичностью обновляться. Наличие или отсутствие за- ряда на конденсаторе и идентифицирует ноль или единицу. Схемы ди-

	A0	RAM	D0
	A1		D1
	A2		D2
	A3		D3
	A4		D4
	A5		D5
	A6		D6
	A7		D7
	A8
	A9
	A10
	W/R OE CS
			5V

намической памяти и формируют основной массив памяти современных персональных компьютеров. Мы много слышим о новых разновидно- стях этой памяти, о схемах, позволяющих совмещать чтение и запись, многопортовых ОЗУ и т.п. Но в системах управления стараются приме- нять более надежное статическое ОЗУ, ячейки которых устроены так же, как ячейка регистра, представленная на рис. 2.37,б) и сложнее, чем у схем динамической памяти. При той же стоимости, динамические ОЗУ напорядок и болееобъемны, или, притомжеобъеме – на порядоки бо- лее дешевы.

Схемотехническое обозначение статического ОЗУ на два кило-

Рис. 2.40.

байта приведено на рис. 2.40. Это старая схема К537РУ8 приведена

здесь просто, чтобы проще было ее нарисовать и разобраться в ее работе. В новых разра-

86

ботках эту схему практически не применяют, хотя современные аналоги устроены точно также.

Для того чтобы считать информацию из памяти, сначала следует выставить адрес требуемой ячейки. Дешифратор памяти, управляющей памятью микроконтроллера (вспомните ИД7) активизирует соответствующую схему, подав активный низкий уровень на CS`. Затем следует, удерживаявысокий уровеньна выводе W`/R, подать активный низ- кий уровень на разрешение вывода ОЕ`. С задержкой в несколько десятков наносекунд от спада этого импульса содержимое адресуемой ячейки появится на выводах схемы D0…D7 и поступит на шину данных микроконтроллера.

Длязаписи информации сначала ее иадресячейки следуетвыставить на шину дан- ных и адресов. Дешифратор активизирует схему низким уровнем на CS`. Затем, удержи- вая высокий уровень на OE`, следует подать отрицательный импульс на W`/R и по его фронту информация будет записана в соответствующую выставленному адресу ячейку памяти.

Микропроцессор (микроконтроллер) сам проводит описанные здесь циклы по ко- мандам чтения и записи. Важно, чтобы такт записи-чтения микропроцессора по времен- ным промежуткам соответствовал допустимым временам и задержкам для схемы памяти. В этом следует предварительно убедиться по соответствующей документации.

ИС статической памяти, выполненные по k-МОП технологии, способны хранить свое содержимое при снятии основного питания. Такие схемы называют энергонезависи- мым ОЗУ. Для перевода схемы в режим хранения достаточно на выводе CS`поддерживать уровень логической единицы. Мы уже знаем, что потребление k-МОП схем при отсутст- вии переключений крайне мало, также ведут себя и схемы статической памяти. Потребле- ние с вывода CS` составляет единицы и даже доли микроампера и литиевой батарейки, подключенной к этому выводу хватает очень на долго. В персональном компьютере ста- тическая ОЗУ используется в схеме часов, в ней хранится дата и начальные установки компьютера. Приходилось ли Вам менять батарейку в компьютере?

Сегнетоэлектрическое ОЗУ (FRAM) Ядром сегнетоэлектрической оперативной памяти являются сегнетоэлектрические кристаллы, которые позволяют законченным

FRAM-изделиям работать подобно ОЗУ, при этом обеспечивая энергонезависимость хранения данных без всякого внешнего энергопотребле- ния. Не нужно даже подавать логической едини- цы на вывод CS`, как у энергонезависимых ста- тических ОЗУ.

Когда электрическое поле прикладывается к сегнетоэлектрическому кристаллу, его цен- тральные атомы смещаются и остаются в этом положении при снятии поля. Свойства конденса- тора, роль диэлектрика в котором выполняет сегнетоэлектрическая пленка, меняются и ячейка памяти изменяет свое состояние.

Емкость современных интегральных FRAM (например, FM1608, выпускаемых фир- мой Ramtron) составляет 64 килобита и более.

На рис. 2.41 приведена схема расположе- ния и наименование выводов ИС FM1608.

На вывод VDD подается напряжение пи-

Рис. 2.41.

тания +5В, вывод VSS подключается к земле

(0В). Тринадцать адресных входов А0..А12 по-

зволяют выбрать один из 8192 байтов памяти схемы. Фиксация адреса байта происходит по падающему фронту импульса, подаваемого на вывод выбора кристалла CE`(Chip En- able). Это аналог вывода CS` (Chip Select) схем памяти, изображенных на рис.2.39, 2.40.

Ввод-вывод данных осуществляется по 8-разрядной двунаправленной шине данных DQ0..DQ7. Для считыванияданных подаетсяактивный низкий уровень навывод разреше- ния вывода ОЕ` (Output Enable) и содержимое адресуемого байта поступает на шину. В противном случае шина данных находится в третьем (высокоимпедансном) состоянии и способна принять и записать в адресуемый байт внешние сигналы (данные). Для записи данных необходима подача активного низкого уровня на вход разрешения записи WE`(Write Enable). Запись и чтение происходит по адресу, который был зафиксирован спадом на CE`.

Циклы чтения-записи в сегнетоэлектрическую оперативную память идентичны циклам в статическую ОЗУ. По разномулишь названы выводы этихсхем, приведенных на рис. 2.40 и 2.41 из-за стремления быть ближе к фирменному описанию FRAM.

Вопросы к экзамену.

1. Последовательностные схемы. Асинхронные и синхронные, статические и дина- мические триггеры. Использование в САУ.

2. Регистры: типы, состав, назначение, примеры использования в САУ.

3. Схемы памяти. РПЗУ, динамическое и статическое ОЗУ, энергонезависимое ОЗУ.