4.4.3. Оперативные запоминающие устройства динамического типа
Запоминающие элементы динамических ОЗУ построены на базе МОП-транзисторов. Здесь используется тот факт, что у МОП-транзистора высокое входное сопротивление. Это позволило построить схемы ЗЭ, у которых входной ток близок к нулю. В основу положен принцип накопления и восстановления – регенерации – заряда на затворе МОП транзистора. Основой ЗЭ является паразитная емкость Сп, накапливающая заряд. Из-за постепенного разряда Сп за счет токов утечки необходимы схемы восстановления, регенерации заряда. Периодическое, а не постоянное поступление энергии в ЗЭ позволяет сократить потребляемую мощность и упростить схему, что снижает размер площади и увеличивает плотность компоновки на кристалле. На рис. 4.30 приведена схема ЗЭ динамического типа. В режиме записи VT1 и VT3 совмещают функции возбуждения разрядных шин и нагрузки для транзисторов триггера VT2, VT4.
В режиме записи подаются положительный импульс в адресную шину ША и отрицательный – в разрядную шину ШР0 либо ШР1 в зависимости от того, записывается логический «0» или логическая «1». При этом VT1 или VT3 открывается, информация заносится в триггер. Информация хранится в виде зарядов паразитных емкостей Сп1 и Сп2, причем «0» хранится неограниченное время, а «1» из-за токов утечки должна периодически восстанавливаться. Для регенерации информации периодически возбуждается шина ША и одновременно на разрядные шины подается одинаковое по знаку напряжение низкого уровня в случае p-канальных транзисторов. В этом состоит одна из отличительных особенностей динамических ОЗУ.
Рис. 4.30. Динамические ЗЭ на МОП-транзисторе
В режиме считывания возбуждают ША, как бы подключая источник питания к триггеру, и ток считывания через VT1 или VT3 поступает в соответствующую ШР – в ШР0, если хранился «0», или в ШР1, если хранилась «1».
4.4.4. Постоянные запоминающие устройства
Хранящаяся в ПЗУ информация не изменяется в процессе решения задачи. Она записывается заблаговременно при изготовлении устройств и может быть произвольной. ПЗУ часто обозначают ROM (read only memory). В ПЗУ универсальных ЭВМ хранятся константы, стандартные подпрограммы, контрольные программы – тесты и т.п. В виде ПЗУ выполняется микропрограммное устройство управления, в котором хранятся микропрограммы.
В специализированных ЭВМ, работающих в ряде случаев без вмешательства оператора, в ПЗУ хранятся основные программы работы ЭВМ. ПЗУ могут выполнять роль кодирующих и декодирующих устройств, могут использоваться для выполнения арифметических операций табличным способом.
ПЗУ проще, дешевле и надежнее ОЗУ, поскольку в них отсутствуют схемы записи информации, и для хранения информации могут применяться более простые и дешевые элементы. Простота элементов матрицы ПЗУ, а также отсутствие цепей регенерации позволяют получить период обращения к ПЗУ в несколько раз меньший, чем период обращения к ОЗУ. В ПЗУ, предназначенных для хранения констант и команд, период обращения обычно делается равным периоду обращения к ОЗУ.
Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) отличаются от ППЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ – ввести в него программу с помощью специального устройства программатора, но только один раз: после введения программы содержимое памяти изменить нельзя.
Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, допускает неоднократное стирание информации и запись новой с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.
Структурная схема ПЗУ аналогична структурной схеме ОЗУ. Различие состоит в том, что в ПЗУ отсутствуют схемы, предназначенные для записи информации. Матрица накопителя информации обычно организуется по системе 2D. В узлах матриц располагаются запоминающие элементы, иногда называемые для ПЗУ элементами связи (ЭС). ЭС связывают между собой электрически (или не связывают) адресные и разрядные шины. Наличие ЭС соответствует коду «1», отсутствие ЭС – коду «0».
Полупроводниковые ЭС могут быть диодными и транзисторными. На рис. 4.31 приведены схемы ЭС полупроводниковых ППЗУ и РПЗУ ( – программируемая маскированием перемычка; ~ – плавная перемычка). Наибольшую емкость при наименьшей потребляемой мощности имеют ПЗУ, построенные на n-канальных МОП-транзисторах (см. рис. 4.31, б). В масочных ПЗУ (см. рис. 4.31, а...в) информация записывается при изготовлении ПЗУ на заводе с помощью соответствующих фотошаблонов.
Рис. 4.31. Запоминающие элементы полупроводниковых ППЗУ и РПЗУ: а, б, в – ППЗУ, программируемые маскированием; г, д – ППЗУ, программируемые выжиганием плавких перемычек; е, ж, з – РПЗУ
При программировании изготовителем или заказчиком ППЗУ часть плавких перемычек ЭС типа приведенных (см. рис. 4.31, г, д) расплавляется импульсами тока, которые пропускают через определенные эмиттеры согласно карте заказа. В результате нарушаются некоторые связи источника питания с разрядными шинами, что обеспечивает при считывании появление логических «0» в определенных разрядах числа (слова). Занести новую информацию в ППЗУ невозможно, так как нарушенные связи восстановлению не поддаются.