3.4. Наборно-ассоциативный кэш

В наборно-ассоциативной структуре кэш-память делится на наборы с небольшим числом строк, кратным двойке, то есть 2, 4, 8 и т.д. Средние разряды адреса от процессора определяют не одну строку, а весь набор.

Каждая строка в наборе обслуживается собственным блоком кэш-памяти, тегом, компаратором и буфером данных. Это подобно параллельной и согласованной работе нескольких каналов прямого замещения. Контроллер кэш-памяти принимает решение о том, в какой из строк наборов размещается очередной пакет данных.

В простом случае каждый пакет данных из ОП может загружаться в одну из двух строк в наборе. Такой кэш содержит два блока кэш-памяти: А — для четных строк и В — для нечетных (рис. 15). Такие кэши называются двухвходовыми.

Рис. 15. Двухвходовой наборно-ассоциативный кэш

Страницу данных из ОП можно поместить только в тот набор, номер которого равен адресу страницы по модулю, например, 64 или 128 и т.д. Место страницы в наборе произвольное.

Одновременно считываются и сравниваются четные и нечетные строки (слова из них). Считывание данных идет от того блока, где имеется совпадение тега и тегового адреса от процессора. При отсутствии совпадений выполняется обращение к ОП и замещение строки в одном из блоков кэша.

4. Постоянная память

4.1 Общая характеристика постоянной памяти

Постоянная память предназначена для хранения программ, констант, табличных функций и другой информации, которая записывается заранее и не изменяется в процессе текущей работы компьютера. Она применяется также в преобразователях кодов, знакогенераторах, в микропрограммных устройствах управления. Общим для всех микросхем постоянной памяти является энергонезависимость, словарная организация и применение режима считывания как основного.

Микросхемы постоянной памяти разделяются на следующие группы:

• ПЗУ или ROM (Read Only Memory) — программируются одноразово заводом-изготовителем, часто называются масочными;

• ППЗУ или PROM (Programmable ROM) — программируются одноразово электрическим способом пользователем;

• РПЗУ-УФ или EPROM (Erasable PROM) — программируются многократно (репрограммируются) с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью;

• РПЗУ-ЭС или EEPROM (Electrical EPROM) — программируются и стираются многократно электрическим способом.

4.2. Микросхемы постоянных запоминающих устройств

В микросхемах ПЗУ и ППЗУ элементами памяти являются диоды, биполярные и МОП-транзисторы, а также КМОП-структуры. Элементы памяти размещаются в узлах матрицы, образованных адресными линиями строки X_i и столбца Y_j. Состояние "1” соответствует соединению ЭП с разрядной линией, а состояние “0” означает отсутствие связи (для прямых выходов микросхемы памяти). В масочных ПЗУ разрыв соединений ЭП с разрядными линиями при записи информации выполняет завод-изготовитель (рис. 16).

Рис. 16. Элемент памяти масочных ПЗУ:

а — на диодах;

б — на многоэмиттерных транзисторах;

в — на МОП-транзисторах

Характеристики ряда серий БИС ПЗУ представлены в табл. 1, а их условные обозначения показаны на рис. 17.

Таблица 1

Тип микросхемы	Емкость, бит	Технология	Время выборки — tА, нс	Рcc, мВт
КР1656РЕ4	8Кх8	ТТЛШ	40	90
КР568РЕЗ	16Кх8	n-МОП	300	300
КМ568РЕ5	128Кх8	n-МОП	200	300
К536РЕ2	32Кх8	КМОП	500	20

Рис. 17. Условное обозначение БИС ПЗУ

Микросхема К563РЕ2 имеет вмонтированную схему самоконтроля и исправления одиночных ошибок с помощью кода Хеминга с установлением признака-ошибки на выходе К1. Корректор можно выключить сигналом К2 = 0, при этом данные считывают без исправления ошибок.

4.2 Микросхемы программируемых постоянных запоминающих устройств

В микросхемах ППЗУ, которые поставляются заводом изготовителем, все ЭП, расположенные в узлах матрицы, соединены со столбцами плавкими перемычками (рис. 18.)

Рис. 18. Элемент памяти микросхем ППЗУ:

а — на диодах;

б — на многоэмиттерных транзисторах;

в — на диодах Шотки

Запись информации в ППЗУ осуществляется пользователем пережиганием перемычек (рис. 18, а, б) или электрическим пробоем диодов Шотки (рис. 18, в). Для плавких перемычек используют тонкие пленки из нихрома или поликристаллического кремния; ток пережигания равен 50-100 мА, в результате чего перемычка необратимо разрушается.

Структура ППЗУ с ЭП на многоэмиттерных транзисторах показана на рис. 19. Память построена по системе 2,5D с организацией 4x2 бит. Каждый многоэмиттерный транзистор в матрице представляет собой два ЭП (по числу эмиттеров) и программируется на запоминание двухразрядного слова.

Рис. 19. Структура ПЗУ с организацией 4x2 бит

В ЭП на транзисторах VТ1-VТ4 запрограммированы для хранения соответственно слова 01, 10, 11 и 00.

Пусть значение адреса строки Х₀ = 1 (А₁ = 0) и столбца Y₁ = 1 (A₂ = 1); при этом открываются транзисторы VТ2 и VТ7 и через них протекает в буфер ток, отображающий лог. 1. Транзистор VТ8 — закрытый, поскольку его коллектор не имеет связи с эмиттером VТ2, который отображает лог. 0.

В результате считывания на выходе буфера BD формируется слово D₂D₁ = 01. Число транзисторов, подключаемых к каждому выходу адреса столбца, определяется разрядностью хранимого слова.

Микросхема ППЗУ по структуре аналогична масочным, однако допускает однократное программирование пользователем. Наиболее распространены микросхемы ППЗУ серии К556, изготовленные по ТТЛШ-технологии. Функциональный состав этой серии включает микросхемы емкостью от 1 К до 64 Кбит со словарной (четырех и восьмиразрядной) организацией с временем выборки 45-85 нc и потребляемой мощностью 0,6-1 Вт (рис. 20).

Разновидностью ППЗУ являются программируемые логические матрицы (ПЛМ или РLМ), к которым относятся микросхемы КР556 (РТ1, РТ2). Они имеют идентичные характеристики и конструктивные параметры, однако отличаются по типу выхода: РТ1 имеют выход с открытым коллектором, РТ2 — с тремя состояниями (рис. 20, в). Обе микросхемы предназначены для реализации устройств, выполняющих логические операции над двоичными переменными.

Анализируемые ПЛМ рассчитаны на 16 входных переменных, инверсии от которых получают внутри микросхемы. Функциональные возможности данных ПЛМ: восемь логических сумм, каждая из которых может включать до 48 логических произведений из 16 переменных и их инверсий.

Программирование ПЛМ заключается в пережигании плавких перемычек в требуемых узлах. Это выполняют вмонтированные в ПЛМ специальные схемы, которые управляются сигналом PR. Вначале программируют матрицу I, затем матрицу 4М и выходные усилители. Для управления доступом к микросхеме используют сигнал , наличие которого позволяет также наращивать число входных переменных и выходных функций способом объединения нескольких ПЛМ.

Рис. 20. Условное обозначение БИС ППЗУ

Широко применяются микросхемы ПЛМ, которые программируются способом заказного фотошаблона. Такие микросхемы включены в комплект некоторых микропроцессорных серий БИС как ПЗУ микрокоманд.

Характеристики наиболее распространенных микросхем РПЗУ-ЭС на МНОП- транзисторах представлены в табл. 2, а условные графические обозначения некоторых из них показаны на рис. 21

Таблица 2

Тип микросхемы	Тип транзистора	Емкость, бит	t, мкс	Рсc мВт	Ucc В
КР558РР1	р-МНОП	256x8	5.0	300	5-12
КР1601РР1	р-МНОП	1Кх4	1,8	625	5-12
КР1601РРЗ	р-МНОП	2Кх8	1,6	825	5-12
КР558РР2	п-МНОП	2Кх8	0,35	480	5
КР558РРЗ	п-МНОП	8КхО,4	0,4	400	5
КР1611РР1	п-МНОП	8Кх8	0,3	850	5

Способность к многократному программированию обеспечивается применением ЭП с качествами управляемых перемычек. Эту функцию выполняют транзисторы типа ЛИЗМОП или МНОП. Они представляют собой специальные МОП- транзисторы, в которых область под затвором и подкладкой может накапливать и сохранять заряд, создаваемый электрическим способом.

Для программирования ППЗУ и репрограммируемых ПЗУ используют специальные устройства — программаторы. Для ряда микросхем памяти программирование выполняют с помощью компьютера.

Рис. 21. Условные обозначения микросхем РПЗУ-ЭС на МНОП-транзисторах

4.4 Микросхемы РПЗУ-ЭС на МНОП-транзисторах

Для построения памяти типа РПЗУ-ЭС широко используют транзисторы МНОП (от слов металл-нитрид-оксид-полупроводник) с двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла находится тонкий слой диоксид кремния SiO₂, дальше — более толстый слой нитрида кремния Si₃N₄, а затем уже металлический затвор, рис. 22, а.

Рис. 22. Элементы памяти на МНОП-транзисторе:

а — топология;

б — характеристика 1_с=Ци_сч);

в — схема ЭП

Элемент памяти на МНОП-транзисторе работает в следующих режимах: программирования, хранения, считывания и стирания информации.

Программированием называется процесс занесения заряда под затвор транзистора. При этом к затвору n-канального МНОП-транзистора, в котором создается заряд, прикладывают положительный импульс напряжения амплитудой около 20 В. Под действием сильного электрического поля электроны обретают достаточную энергию и туннелируют из подкладки через тонкий слой оксида толщиной около 5 нм в слой нитрида, где они захватываются “ловушками”. В нитриде появляется непод вижный отрицательный заряд, выполняющий функцию носителя информации. Счи тают, что наличие заряда отображает лог. О, а его отсутствие — лог. 1. Транзистор в котором заряд отсутствует, открывается рабочим сигналом. В n-канальных МНОП транзисторах заряд экранирует действие положительного напряжения на затворе и соответственно повышает пороговое напряжение настолько, что рабочий сигнал не может открыть транзистор (рис. 22, б).

В схеме ЭП на МНОП-транзисторе выходной ток I_вых, отображающий лог. 1, появляется при следующих условиях: X₁ =Y₁ = 1, заряд под затвором транзистора VT1 отсутствует. После программирования новое состояние МНОП-транзистора сохраняется месяцами или годами. Перед новой записью старая информация стирается записью нуля в ЭП. Число перезаписей информации находится в пределах 10⁴-10⁶ раз.

В режиме считывания на затворы МНОП-транзисторов подают напряжение U_сч, значение которого лежит между двумя предельными уровнями. Если в ЭП записана лог. 1, то транзистор открывается; если лог. О — транзистор буде закрытым.

Итак, в зависимости от состояния транзистора при подаче на его затвор напряжения считывания U_сч (по координате X₁) в разрядной шине Y₁ ток протекает или нет (рис. 22, в). Усилитель считывания трансформирует состояние разрядной шины в выходное напряжение высокого (ток протекает) или низкого (ток отсутствует) уровней.

Если транзистор имеет заряд в диэлектрике, то есть находится в состоянии лог. О, то для его перехода в состояние “1” накопленный заряд вытесняют из-под затвора отрицательным импульсом напряжения 30-40 В, который подается на затвор относительно подкладки. Такой процесс называют режимом стирания.

Структура микросхемы КР1601РРЗ емкостью 2 К х 8 бит на p-канальных МНОП- транзисторах показана на рис. 23.

Рис.23. Структура микросхемы РПЗУ-ЭС КР1601 РРЗ

Микросхема КР1601РРЗ содержит:

• матрицу ЭП из 128 строк и 128 столбцов, на пересечении которых расположены 16384 транзисторов;

• дешифратор адреса строк DCX, на входы которого поступают семь старших разрядов адреса A₄-A₁₀; он имеет 128 выходов, каждый из которых управляет выборкой одной из строк матрицы;

• дешифратор адреса столбцов DCY, на входы которого поступают четыре младших разряда адресного кода А₀-А₃. Выходы DCY управляют селектором. На входы селектора поступают сигналы, считанные из ЭП выбранной строки. Селектор выбирает из 128-разрядного слова (16 байт) одно восьмиразрядное (байт) и передает его через буфер ввода-вывода BIO на внешнюю шину;

• узел управления, на входы которого поступают инверсные управляющие сигналы: — выбор микросхемы; — разрешение на программирование (запись); — сигнал разрешения стирания информации. На узел подается также напряжение программирования U_PR. Узел управления обеспечивает режимы хранения, считывания, стирания и записи. Состояния управляющих сигналов, обеспечивающих перечисленные режимы работы, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Режимы работы	Сигналы состояния				UPR , В	t, мкс
Стирание	0	1	1	0	-36	200
Запись	0	1	0	1	-36	20
Считывание	0	0	1	1	-12	0,4
Хранение	1	X	X	X	X

Стирание начинается с момента подачи импульса длительностью 100-200 мс. По окончанию стирания все ЭП матрицы переходят в состояние лог. 0; допускается также построчное стирание.

В режиме записи на выводы микросхемы подают значения разрядов записываемого байта данных, адресный код, управляющие сигналы и затем импульсный сигнал программирования = 0 на время 20 мс. Для программирования в автоматическом режиме всей микросхемы с числом адресов, равным 2048, требуется 41 с. В режиме считывания на вывод U_PR коммутируют напряжение питания минус 12 В для понижения используемой мощности, затем подают код адреса и сигнала управление соответственно табл. 3. Через 0,4 мкс на информационных выходах появляется считываемое слово.

Режим хранения определяется сигналом , который запрещает обращение к микросхеме независимо от состояния сигналов на других входах. В режиме хранения при отключении источника питания заряд под затвором может храниться несколько лет. Достоинством микросхем РПЗУ-ЭС является возможность их перепрограммирования без изъятия из устройства, а также значительное число циклов перепрограммирования, достигающее 10 тыс.

Эта особенность наряду с энергонезависимостью позволяет широко применять их в компьютерах в качестве встроенных ПЗУ со стиранием информации.

4.5. Микросхемы РПЗУ на ЛИЗМОП-транзисторах

Запоминающий элемент типа ЛИЗМОП — это МОП-транзистор с индуцированным р- или n-каналом. Металлический затвор этого транзистора размещен в толще диэлектрика (обычно диоксида кремния) и не имеет металлического вывода. Этот затвор называется плавающим (ПЗ). От кристалла ПЗ отделен диэлектриком толщиной 0,1 мкм (рис. 24, а).

Рис. 24. Элемент памяти на ЛИЗМОП-транзисторе:

а, б — топология транзистора с одним и двумя затворами;

в — схема с одним затвором;

г — схема с двумя затворами

При наличии заряда на ПЗ образуется проводящий канал и транзистор открыт— это соответствует записи лог. 1; при отсутствии заряда транзистор закрыт (записан лог. 0).

Структурная схема ЛИЗМОП-транзистора с дополнительным затвором выборки (двухзатворный транзистор) показана на рис. 24,б. В режиме программирования на исток и сток транзистора относительно подкладки подается положительный импульс напряжения амплитудой 25 В. На обратно смещенных n-p переходах исток- подкладка и сток-подкладка возникает процесс лавинной инжекции заряда (отсюда происходит обозначение транзистора ЛИЗМОП). Часть электронов попадает на ПЗ; в результате наложения на ПЗ отрицательного заряда пороговое напряжение на передаточной характеристике смещается в область более высокого уровня (сдвиг вправо), что соответствует записи лог. 0. Отсутствие зарядов электронов на ПЗ соответствует записи лог. 1.

Стирание записанной информации состоит в вытеснении заряда из ПЗ. Эту операцию в транзисторах ЛИЗМОП осуществляют двумя методами: в группе РПЗУ-ЭС — импульсом напряжения, который подается на затвор; в группе РПЗУ-УФ— с помощью ультрафиолетового (УФ) облучения сквозь прозрачное стекло в крышке корпуса. В первом случае накопленные на ПЗ электроны вытесняются в подкладку электрическим полем и восстанавливается состояние “1”. Во втором случае электроны рассасываются с ПЗ в подложку в результате усиления теплового движения за счет полученной от источника УФ-излучения энергии.

Режим считывания осуществляется так же, как и в микросхеме РПЗУ на МНОП- транзисторах. В режиме хранения обеспечивается отсутствие напряжения на электродах ЭП с тем, чтобы исключить рассасывание заряда на ПЗ в диэлектрической среде. Например, в микросхеме К573РФ6 гарантированный срок хранения информации без питания составляет пять лет, а в КМ1609РР2 — до 10 лет.

Схема включения в ЭП транзистора VT1 с одним затвором показана на рис. 24, в, а с двумя затворами — на рис. 24, г.

В современных компьютерах используют:

• память типа РПЗУ-УФ с емкостью до 8 Мбит и временем доступа 45 нс (фирма Atmel);

• память типа РПЗУ-УФ с емкостью до 256 Кбит, временем доступа 90 нс, допустимым числом циклов перезаписи 105 и продолжительностью хранения данных более 10 лет; эти ЗУ используют один источник напряжения 5 В и потребляют ток 5 мА в активном режиме и 0,1 мА при отсутствии обращений (фирма SGS-Thomson).

В энергонезависимой постоянной памяти широко используют режим импульсного питания: напряжение подается только на ту микросхему памяти, к которой имеется обращение. Это во много раз уменьшает энергопотребление, улучшает тепловой режим ИМС и повышает их надежность.