3. Запоминающие устройства

Лекция 3.Запоминающие устройства (ЗУ).

1. Оперативные ЗУ

Основные особенности: прямой доступ, быстродействие, реализуются на электронных схемах.

Оперативные ОЗУ разделяются на статические и динамические.

1.1. Статические ЗУ

Информация храниться на триггерах (информация сохраняется при включенном питании). В статическом ОЗУ в ячейках матрицы находится триггеры (обычно КМДПТЛ), похожие на триггеры в функциональных узлах, которые по другому организованы, чем в регистрах, счетчиках и т.д.

Для статических ОЗУ необходимо 6 элементов (но желательно 8) и 3 шины (или больше). Информация на триггерах перезаписывать не требуется.

1.2. Динамические ОЗУ

Информация хранится на конденсаторах (информацию нужно постоянно перезаписывать). Имеет смысл использовать, когда объем ЗУ большой т.к. схема регенерации записи не сложна.

Для динамического ОЗУ необходимо 2 элемента (конденсатор и управляющий транзистор) и 2 шины (или больше) данных: адресная и разрядная. Главная особенность: требуется перезапись – регенерация.

адресная

разрядная

адресная

разрядная

В схеме информация хранится на конденсаторе (1 - заряжен, 0 - разряжен). Транзистор для подключения записи (зарядки конденсатора) и считывания.

Та же схема, но конденсатор на основе МОП-структуры.

2.Постоянные ЗУ

При выключенном питании информация на ОЗУ пропадает. Для длительного хранения информации и для начала загрузки компьютера используют ПЗУ. Для хранения 1 бита достаточно одного элемента (например, диода) и двух шин.

разрядные шины

адресная шина

Например, здесь записано 1010. Подаем на адресную шину 1. Там где есть диод, появляется высокое напряжение, там, где нет, остается низкое.

Диод нужен, чтобы с одной адресной шины высокое напряжение не передавать на другие адресные шины.

В реальности в качестве диода используют один из переходов транзистора (npn или МОП-структур) или многоэмиттерный транзистор.

Различают 3 вида ПЗУ.

- Масочные ПЗУ – информацию записывается сразу при изготовлении микросхемы по маске (фотошаблону).

- Программируемые ПЗУ – ППЗУ – вначале записывается везде 1 (например: ) или 0 (например, ). Потом на программаторе пережигают плавкую вставку или один из диодов.

- Перепрограммируемые или репрограммируемые РПЗУ – допускают многократную перезапись. В узлах ячеек стоят МНОП- транзисторы или ЛИЗМОП –транзисторы:

Такие транзисторы способны хранить информацию при выключенном питании, но в отличие от простых ПЗУ позволяют перезаписывать эту информацию.

3.МНОП или ЛИЗПОМ – транзисторы.

В перепрограммируемых ПЗУ в ячейках матрицы расположены МНОП или ЛИЗМОП транзисторы.

3.1 МНОП транзисторы

МНОП-транзистор – это р-канальный МОП транзистор с двумя изолирующими слоями: широким слоем нитрида (h=0,1 мкн) и узким слоем оксида (h=0,005 мкн). Нитрид () - хороший изолятор, оксид () – плохой изолятор.

Этот транзистор открывается отрицательным напряжением.

В обычном состоянии (|U_затв| < |-20В|) транзистор закрыт, записан 0. Запись единицы: U(записи) ~ + 30 В. Электроны проникают через оксид и застревает на границе и создает отрицательный потенциал, который сохраняется после записи.

Считывание. Подача небольшого отрицательного потенциала на затвор достаточно для индуцирования канала, но если не было записи единицы, транзистор остается закрытым. Стирание единицы: подают U (затв) = -30 В, электроны уходят в подложку.

Таким образом, запись и стирание – электрические. Иногда используют МАОП-транзистор – вместо нитрида алунд (SiAl). Принцип работы такой же.

3.2 ЛИЗМОП – транзистор

ЛИЗМОП – транзистор - МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда или р-канальный МОП транзистора с плавающим затвором.

SI₃N₄

SiO₂

n

В обычном состоянии закрыт транзистор (записан 0).

Запись «1»: между истоком и стоком подают U = 40-60 В. Происходит лавинной пробой закрытого np-перехода. Электроны с большой кинетической энергии попадают на затвор. После снятия напряжения заряд на затворе остается и его достаточно для образования канала: транзистор открыт, записана единица.

Стирание: невозможно электронным путем (т.к. на затвор нельзя подать напряжение), только ультрафиолетовым излучением. Электроны приобретают энергию, поглощая квант света. и покидают затвор. Чтобы предотвратить случайное стирание, используют ЛИЗМНОП транзисторы, комбинированное стирание: ультрафиолет плюс подача напряжения на затвор.

4. Flash – память

Используют похожие принципы, память храниться на репрограммируемых МОП-транзисторах с плавающем затвором, но перезапись происходит электрическим путем и с использованием значительно меньших напряжений (в пределах 5В). Для этого используют еще один затвор (управляющий затвор) на который подается напряжение записи и считывания

Помещение заряда на затвор производиться методом инжекции «горячих» электронов (как в ЛИЗПОМ транзисторах) или вследствие тунелирования электронов через диэлектрик (как и в МНОП транзисторах) . Стирание заряда во всех разновидностях – на основе тунелирования.

Для считывания информации подается напряжение считывания (U_счит). Если была записана 1, транзистор открывается; если 0, транзистор закрыт.

U_счит

Кроме того, существуют модернизированные многоуровневые, в одной ячейки (на 1 транзисторе) можно хранить 2 бита.

Подают разные напряжения и определяют напряжение «открывания» транзистора.

5. Внешняя и внутренняя память.

Существуют несколько подходов к градации памяти компьютера.

1. В системном блоке – внутренняя, съемная – внешняя, получается, что винчестер («магнитная память») – внутренняя память. А как быть со съемном винчестером? Получаются противоречия.

2. Электрическая память – внутренняя, а другая (на магнитных носителях, дисках) – внешняя.

У электрической памяти маленький объем, может не сохранять информацию при выключении питания, но маленькое время выборки. У внешней памяти время выборки больше (магнитные носители, лазерные диски).

По этой градации получается что Flash – память внутренняя, что тоже противоречиво.

3. По доступу: последовательная выборка информации – внешние ЗУ, произвольная выборка (ЗУПВ), то есть с прямым доступом – внутренняя память. Ни один из способов не позволяет четко и разумно разделить память на внутреннею и внешнюю.

Каждое новое изобретение вынуждает постепенно корректировать такое разделение. Когда-то наличие внутренней и внешней памяти было одним из основных положений информатики. Сейчас же, можно считать, происходит стирание различий между внутренней и внешней памятью.

6. Схемы с тремя состояниями. Шинные формирователи.

6.1 Тристабильные ячейки.

При описании ЗУ остался открытым вопрос: «Как разделить в линии устройства считывания и записи в одной линии». Для этого служат ячейки с тремя состояниями:

Логическая 1 (например, U=5В), логический (U=0В), отключение (неопределенное состояние).

Обозначение:

Х – вход, У – выход.

При Е = 1, У = Х (1 или 0);

При Е = 0, У – разомкнут (неопределенное состояние)

Обозначение: Е – enable (разрешать),

CS – chip select (выбор кристалла).

Используются свойства МДП-транзисторы: исток и сток не различимы.

Если транзистор открыт (при Е = 1) информация передается от Х к У. Если закрыт (Е = 0), выход У оказывается отсоединен от цепи.

Недостаток: информация может передаваться как от Х к У, так и от У к Х. Это не нужно. Надо однонаправленная передача. Ставят МДП-инвертор.

Т.е.

Информация передается только в одну сторону, но с инверсией.

Тогда можно использовать два инвертора.

Информация передается без инверсии вот эта схема и есть трехступенчатая ячейка.

6.2 Шинные формирователи (вертикальные элементы)

При Е = 1, информация передается от А к В.

Е = 0, информация передается от В к А.

Так можно разделить считывание / запись.

Модернизированная схема, которая используется в реальности.

Ячейка матрицы (триггер или конденсатор)

Обычно для управления используют 2 сигнала: CS=1 (разрешение на вмешательство, иначе – хранение информации).

WR (WD) = 1 или 0, считывание / запись.