5.7. Мікросхеми пам'яті

Перевага пам'яті, зображеної на рис. 5.8, полягає в тому, що подібна структура може бути застосована при розробці пам'яті великого об’єму. Щоб розширити схему до розмірів 4x8, потрібно додати ще 5 стовпчиків тригерів по 4 тригери в кожному, а також 5 вхідних і 5 вихідних ліній. Щоб перейти від розміру 4x3 до розміру 8x3, необхідно додати ще чотири ряди тригерів по три тригера в кожному, а також адресну лінію А₂. При такій структурі число слів у пам'яті повинно бути ступенем двійки для максимальної ефективності, а число бітів у слові може бути будь-яким.

Оскільки технологія виготовлення інтегральних схем підходить для виробництва мікросхем із внутрішньою структурою повторюваної плоскої поверхні, мікросхеми пам'яті є ідеальним застосуванням для цього. З розвитком технології число бітів, які можна вмістити в одній мікросхемі, постійно збільшується, як правило в два рази кожні 18 місяців (закон Мура). З появою великих мікросхем маленькі мікросхеми не завжди є застарілими внаслідок компромісів між перевагами ємності, швидкості, потужності, ціни і спряження.

При будь-якому об’ємі пам'яті існує кілька різних способів організації мікросхеми. На рис. 5.10 показані дві можливі структури мікросхеми в 4 Мбіт: 512 Кх8 і 4096 Kxl. (Розміри мікросхем пам'яті звичайно даються в бітах, а не в байтах). На рис.5.10 а можна бачити 19 адресних ліній для звертання до одного з 2¹⁹ байтів і 8 ліній даних для завантаження або збереження обраного байта.

а) б)

Рис. 5.10 - Два способи організації пам'яті об’ємом 4 Мбіт

Оскільки, як правило, комп'ютер містить багато мікросхем пам'яті, потрібний сигнал для вибору необхідної мікросхеми, такий, щоб потрібна нам мікросхема реагувала на виклик, а інші – ні. Сигнал (Chip Select – вибір елемента пам'яті) використовується саме для цієї мети. Він подається, щоб запустити мікросхему. Крім того, необхідним є спосіб, який би розрізняв операції зчитування від запису. Сигнал (Write Enable – дозвіл запису) використовується для вказівки того, що дані повинні записуватися, а не зчитуватися. Нарешті, сигнал ОЕ (Output Enable – дозвіл видачі вихідних сигналів) встановлюється для видачі вихідних сигналів. Коли цього сигналу немає, вихід від’єднаний від іншої частини схеми.

На рис. 5.10 б використовується інша схема адресації. Мікросхема являє собою матрицю 2048x2048 однобітових комірок, що складає 4 Мбіт. Для звертання до мікросхеми, спочатку потрібно вибрати рядок. Для цього 11-бітний номер цього рядка подається на адресні виходи. Потім встановлюється сигнал (Row Address Strobe – строб адреси рядка). Після цього на адресні виходи подається номер стовпця і встановлюється сигнал (Column Address Strobe – строб адреси стовпця). Мікросхема реагує на сигнал, приймаючи або видаючи 1 біт даних. Великі мікросхеми пам'яті часто виготовляють у вигляді матриць m x n, звертання до яких відбувається по рядку і стовпчику. Така організація пам'яті скорочує число необхідних виводів, але, з іншого боку, сповільнює звертання до мікросхеми, оскільки потрібно два цикли адресації: один для рядка, а інший для стовпця. Щоб прискорити цей процес, в деяких мікросхемах можна викликати адресу рядку, а потім кілька адрес стовпчиків для доступу до послідовних бітів ряду.

Багато років тому найбільші мікросхеми пам'яті, як правило, були улаштовані так, як показано на рис. 5.10 б. Оскільки слова виросли від 8 до 32 бітів і вище, використовувати подібні мікросхеми стало незручно. Щоб з мікросхем 4096 Kxl побудувати пам'ять з 32-бітними словами, потрібно 32 мікросхеми, що працюють паралельно. Ці 32 мікросхеми мають загальний об’єм, принаймні, 16 Мбайт. Якщо використовувати мікросхеми 512 Кх8, то буде потрібно всього 4 мікросхеми, але при цьому об’єм пам'яті буде складати 2 Мбайт. Щоб уникнути наявності 32 мікросхем, більшість виробників випускають сімейство мікросхем з довжиною слів 1,4, 8 і 16 бітів.

5.8. ОЗП і ПЗП

Усі види пам'яті, що ми розглядали дотепер, мають одну загальну властивість: у них можна і записувати інформацію, і зчитувати неї. Така пам'ять називається ОЗП (оперативний запам'ятовуючий пристрій). Існує два типи ОЗП: статичний і динамічний. Статичний ОЗП конструюється з використанням D-тригерів. Інформація в ОЗП зберігається протягом усього часу, поки до нього подається живлення: секунди, хвилини, години і навіть дні. Статичний ОЗП працює дуже швидко. Як правило, час доступу складає трохи декілька наносекунд. З цієї причини статичний ОЗП часто використовується як кеш-пам'ять другого рівня.

У динамічному ОЗП, навпаки, тригери не використовуються. Динамічний ОЗП являє собою масив комірок, кожна з яких містить транзистор і маленький конденсатор. Конденсатори можуть бути заряджені і розряджені, що дозволяє зберігати нулі й одиниці. Оскільки електричний заряд має тенденцію зникати, кожен біт у динамічному ОЗП повинний оновлюватися (перезаряджатися) кожні кілька мілісекунд, щоб запобігти витоку даних. Оскільки про відновлення повинна піклуватися зовнішня логіка, динамічний ОЗП вимагає більш складного сполучення, чим статичне, хоча цей недолік компенсується великим об’ємом.

Оскільки динамічному ОЗП потрібний тільки 1 транзистор і 1 конденсатор на біт (статичному ОЗП потрібно в кращому випадку 6 транзисторів на біт), динамічний ОЗП має дуже високу щільність запису (багато бітів на одну мікросхему). З цієї причини основна пам'ять майже завжди будується на основі динамічних ОЗП. Однак динамічні ОЗП працюють дуже повільно (час доступу займає десятки наносекунд). Таким чином, сполучення кеш-пам'яті на основі статичного ОЗП й основної пам'яті на основі динамічного ОЗП з'єднує в собі переваги обох пристроїв.

Існує кілька типів динамічних ОЗП. Самий древній тип, що усе ще використовується,

• FPM (Fast Page Mode – швидкий посторінковий режим). Це ОЗП є матрицею бітів. Апаратне забезпечення представляє адресу рядка, а потім – адреси стовпчиків.

• EDO (Extended Data Output – пам'ять з розширеними можливостями виводу), що дозволяє звертатися до пам'яті ще до того, як закінчилося попереднє звертання. Такий конвеєрний режим не прискорює доступ до пам'яті, але збільшує пропускну здатність, видаючи більше слів у секунду.

І FPM, і EDO є асинхронними. На відміну від них так зване синхронний динамічний ОЗП керується одним синхронізуючим сигналом. Даний пристрій являє собою гібрид статичного і динамічного ОЗП. Синхронний динамічний ОЗП часто використовується при виробництві кеш-пам'яті великого об’єму.

ОЗП – не єдиний тип мікросхем пам'яті. У багатьох випадках дані повинні зберігатися, навіть якщо живлення відключене, і після установки ні програми, ні дані не повинні змінюватися. Ці вимоги привели до появи ПЗП (постійних запам'ятовуючих пристроїв), що не дозволяють змінювати і стирати інформацію, що зберігається в них, (ні навмисно, ні випадково). Дані записуються в ПЗП в процесі виробництва. Для цього виготовляється трафарет з визначеним набором бітів, що накладається на фоточутливий матеріал, а потім відкриті (або закриті) частини поверхні витравлюються. Єдиний спосіб змінити програму в ПЗП – поміняти цілу мікросхему.

ПЗП коштують набагато дешевше ОЗП, якщо замовляти їх великими партіями, щоб оплатити витрати на виготовлення трафарету. Однак вони не допускають змін після випуску з виробництва, а між подачею замовлення на ПЗП і його виконанням може пройти кілька тижнів. Щоб компаніям було простіше розробляти нові пристрої, засновані на ПЗП, були випущені програмувальні ПЗП. На відміну від звичайних ПЗП, їх можна програмувати в умовах експлуатації, що дозволяє скоротити час виконання замовлення.

Наступна розробка цієї лінії – ПЗП, яке програмується і дозволяє знищувати дані. Якщо кварцове вікно в даному

Таблиця 5.1 - Характеристики різних типів пам'яті

Тип запам'ятовую­­чого пристрою	Катего-рія	Зтира-ння запису	Зміна інфор-мації з байтів	Енер-гоза­леж-ність	Застосу-вання
Статич-ний ОЗП (SRAM) Читан-ня/ запис Елект-ричне Так Так Кэш-пам'ять другого рівня Динаміч-ний ОЗП (DRAM)	Читан-ня/ запис	Елект-ричне	Так	Так	Основна пам'ять
ПЗП (ROM)	Тільки читан-ня	Немож-ливо	Немає	Немає	Пристрої великого розміру
Програ-мовані ПЗП (PROM)	Тільки читан-ня	Немож-ливо	Немає	Немає	Пристрої невели-кого розміру
Зтирає-мий Програ-мований ПЗП (EPROM)	Пере-важно Читан-ня	Ультра-фіоле-тове світло	Немає	Немає	Моделю-вання пристроїв
Електрон-но-пере-програ­мований ПЗП (EEPROM)	Пере-важно Читан-ня	Елект-ричне	Так	Немає	Моделю-вання пристроїв
Флеш-пам'ять (Flash)	Читан-ня/ запис	Елект-ричне	Немає	Немає	Цифрові камери

ПЗП піддавати впливу сильного ультрафіолетового світла протягом 15 хвилин, усі біти встановляться на 1. Якщо потрібно зробити багато змін під час одного етапу проектування, такі ПЗП набагато економніші за звичайні програмувальні ПЗП, оскільки їх можна використовувати багаторазово. Вони улаштовані так само, як статичні ОЗП. Наприклад, мікросхема 27С040 має структуру, що показана на рис. 5.10 а, а така структура типова для статичного ОЗП.

Наступний етап – електронно-перепрограмований ПЗП, з якого можна стирати інформацію, додаючи до нього імпульси, і який не потрібно для цього поміщати в спеціальну камеру, щоб піддати впливу ультрафіолетових променів. Крім того, щоб перепрограмувати даний пристрій, його не потрібно вставляти в спеціальний апарат для програмування, на відміну від попереднього ПЗП. Але вони в 64 рази менші за звичайні ПЗП, що дозволяють знищувати інформацію, і працюють вони в два рази повільніше. Електронно - перепрограмовані ПЗП не можуть конкурувати з динамічними і статичними ОЗП, оскільки вони працюють у 10 разів повільніше, їхня ємність у 100 разів менша і вони коштують набагато дорожче. Вони використовуються тільки в тих ситуаціях, коли необхідне збереження інформації при вимиканні живлення.

Більш сучасний тип електронно-перепрограмованого ПЗП – флеш-пам’ять. На відміну від інших ПЗП флеш-пам’ять стирається і записується блоками. Флеш-пам’ять можна стирати, не виймаючи її з мікросхеми. Основною технічною проблемою в даний момент є те, що флеш-пам’ять зношується після 10 000 стирань, а диски можуть служити роками незалежно від того, скільки разів вони перезаписувалися. Короткий опис різних типів пам'яті дане в табл. 5.1.