Электроника и схемотехника (Ерёменко В.Т

15.1. Основные параметры и виды запоминающих устройств

К основным параметрам ЗУ относятся:

1.Емкость ЗУ. Единица измерения – 1 бит (разряд), 8-битное слово – байт. 210бит = 1024 бит = 1 Кбит; 220бит = 1048576 бит =

=1 Мбит.

2.Организация ЗУ – это число кодовых слов с указанием их разрядности (длины). М = NL, где N – число кодовых слов, L – число разрядов в коде. Например: М = 256 бит: это могут быть ЗУ с организацией 32x8, 256x1, 64x4. Структура этих ЗУ будет разная, разная цоколёвка корпуса микросхемы и разные схемы соединения с другими элементами.

3.Динамические параметры ЗУ характеризуются многими временными параметрами. Из них наиболее важными являются следующие:

а) время выборки – время от момента подачи на вход ЗУ команды на выдачу информации до момента установления данных на выходе;

б) время выборки адреса, tА, н.с.;

в) время выбора микросхемы, tCS, н.с.;

г) время цикла записи, tCYWR, н.с. − время от подачи до установления сигналов на управляющих входах в режиме записи;

д) время цикла считывания (чтения) − время от подачи до установления сигналов на управляющих входах в режиме считывания

tCYRD , н.с.;

е) емкости: входная С1, pF; выходная Со, pF; емкость нагрузки,

СL, pF.

Следует помнить, что прежде чем считать информацию из ЗУ, требуется найти ее местоположение, т.е. определить координаты ячеек, где эта информация находится. Аналогично при записи: прежде чем записать (запомнить) нужно указать адрес, куда эта информация должна попасть. Алгоритмы управления процессами записи и считывания можно показать на временных диаграммах изменения сигналов управления (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Временные диаграммы изменения сигналов управления записью информации в ЗУ (а) и считыванием (б)

На диаграммах обозначено: А − адрес ячейки памяти; D − команда на выставление (при записи) или получение (при считывании) данных; WR − сигнал готовности к записи; RD − сигнал готовности к чтению (считыванию); CS − сигнал, определяющий микросхему, с которой нужно работать в данный момент времени; tГЗ − момент готовности к записи; tГС − момент готовности к считыванию. На диаграммах видно, что в ЗУ операции с данными осуществляются только

вте моменты времени, когда на входах управления установлены все необходимые логические сигналы. Это необходимо для обеспечения надежной работы ЗУ. По выполняемым функциям различают: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства − ПЗУ (соответствующая английская аббревиатура − RAM и ROM). Оперативные ЗУ используют для временного хранения информации, полученной в процессе работы. ОЗУ могут быть статическими и динамическими. В статических ОЗУ записанная информация хранится в виде состояния триггерных ячеек памяти и при ее считывании не разрушается. Она разрушается, когда выключается напряжение питания или ее принудительно удаляют (стирают). В динамических ОЗУ информация хранится в виде заряда конденсатора и постоянно циркулирует в массиве конденсаторов, выделенном для её хранения. Считывание из динамического ОЗУ разрушает информацию и для восстановления её нужно периодически перезаписывать (осуществлять регенерацию − «подкачку»). Широко распространенные простые запоминающие ячейки статических ОЗУ

ввиде триггерных схем выполняют на МОП − транзисторах либо на

В режиме хранения: на адресной шине − «нуль» (А=0), VТ1 и VТ6 закрыты, ячейка отсоединена от РШ1 и РШ0. При этом на разрядных шинах потенциал равен 0, так как ключи К1 и К0 замкнуты. Пусть

врежиме «Хранение единицы» VТ3 открыт, а VТ5 – закрыт, так как потенциал затвора VТ5 равен потенциалу стока VТ3 (это подтверждение принятого положения). В режиме считывания сначала импульсом заряжаются до уровня «1» разрядные шины Рш1, Рш0, затем подается потенциал «1» на адресную шину (А=1), транзистор VТ1 открывается и подключает Рш1 к точке управления триггером (к стоку транзистора VТ3) при этом открытый транзистор VТ3 подключается к разрядной шине Рш1. Заряд, присутствовавший на Рш1, создает импульс тока

вцепи разрядная шина − общая шина через открытые транзисторы VТ1, VТ3. .Протекание импульса тока является признаком считывания «1» для усилителя считывания, подключенного к разрядным шинам (на схеме не показан).

Режим записи: например, при записи «0» на Рш0 устанавливается «0», на Рш1 – «1», т.е. ключ К1 размыкается, ключ К0 – замыкается. Затем подается «1» на шину А, VТ1 и VТ6 открываются и подключают соответствующие электроды (сток VТ6 и затвор VТ3) к потенциалу «0». VТ3 закрывается, напряжение на его стоке увеличивается – открывается VТ5, при этом закрывается и VТ1 (на его электродах напряжения сравниваются). Ячейка приняла положение записанного «0». Смена потенциала «1» адресной шины на нулевой потенциал (установка «0») переводит ячейку в режим «Хранение нуля», так как транзисторы VТ1, VТ6 отключают ячейку от Рш0 и Рш1.

Запоминающий (статический) элемент ОЗУ на биполярных транзисторах (рис. 15.2, б) также представляет собой триггерную ячейку,

собранную на двух многоэмиттерных транзисторах с перекрестными базовыми связями. Различные сочетания управляющих сигналов, подаваемых на шины Ах, Ау, Рш1, Рш0, позволяют устанавливать режимы записи, хранения и считывания.

15.3. Динамические ОЗУ

В динамических ОЗУ используют ячейки памяти, в которых уровень «1» или «0» отождествляется с наличием или отсутствием заряда конденсатора, образованного структурой транзисторов при обратных смещениях. Так как заряд не может долго храниться, следует периодически производить регенерацию зарядов, что осуществляется специально организованным управлением. По этой причине для таких ОЗУ нужно иметь режимы: хранение, считывание, запись и регенерация. Основное достоинство динамических ОЗУ – более высокая информационная емкость (почти в четыре раза). Недостаток – усложнение управления из-за необходимости регенерации.

Простейший запоминающий элемент динамического ОЗУ может быть построен на одном МОП-транзисторе (рис. 15.3, а). Используется заряд-разряд конденсатора ёмкостью ≤ 0,1рF. Величина приращения напряжения оказывается очень малой: 0,2 – 0,25 В. Поэтому это напряжение должно быть хорошо усилено – это влечет усложнение усилителей считывания. При считывании происходит разрушение информации, поэтому ее надо восстанавливать.

Рис. 15.3. Простейшие ячейки памяти динамических ОЗУ:

а– на МДПтранзисторе; б – на биполярном составном транзисторе

Всхеме рис. 15.3, а запоминание «1» или «0» – это наличие или отсутствие заряда на конденсаторе Сз. В режиме записи сигнал, поданный на адресную шину Аш, разрешает доступ к Сз (транзистор открыт), заряд с разрядной шины Рш переходит на Сз (больший заряд считается «1», меньший – «0»). В режиме cчитывания заряд с Сз переходит на емкость Срш (которая является паразитной ёмкостью раз-

Рш − разрядная шина

Можно так построить схемы управления, что при снятии питания конденсатор будет поляризоваться таким образом, чтобы его состояние соответствовало состоянию запоминающей ячейки до отключения питания. Время поляризации примерно 10 – 20 н.с., что значительно меньше времени разрушения информации в триггере.

Более перспективными являются ЗУ, сочетающие в себе свойства быстродействия, компактности, технологичности, простоты управления при обеспечении энергонезависимости, т.е. неразрушения информации в условиях исчезновения напряжения питания. К таким ЗУ относятся, в частности, ОЗУ, называемые в международной термино-

логии FRAM, MRAM, PFRAM [20].

FRAM – это ЗУ ферроэлектрического типа, PFRAM – разновидность ЗУ ферроэлектрического типа, в которых используются полимерные ферроэлектрические материалы (тонкие плёнки), обладающие свойством образования диполей в своей структуре. Участки с ориентированными диполями служат запоминающими элементами и в зависимости от направления поляризации хранят биты информации. Следует заметить, что ЗУ типа PFRAM для построения ОЗУ считаются менее перспективными вследствие их относительно небольшого быстродействия [20].

MRAM − это магниторезистивные ЗУ. В них запоминающим элементом является участок магнитного материала, способный сохранять приданное ему состояние намагниченности независимо от наличия или отсутствия питания схемы.

15.5.Основные структуры оперативных запоминающих устройств

Микросхемы ОЗУ могут иметь одноразрядную и многоразрядную (словарную) организацию. В структуре одноразрядной организации данные записываются и считываются по одному биту последовательным кодом, что позволяет уменьшить до минимума число вводов и выводов данных.

Структура микросхемы статического ОЗУ с одноразрядной организацией имеет вид, показанный на рис. 15.5.

Рис. 15.5. Структурная схема одноразрядного статического ОЗУ

На рис. 15.5 обозначено: (А0 − А3) − адресные входы строк накопительной матрицы; (А4 − А7) − адресные входы столбцов матрицы; DO − выход данных при чтении (считывании); DI − вход данных при записи; W/R – вход сигнала «Запись»/ «Чтение»; CS – выбор микросхемы; УВВ – устройство ввода-вывода.

Запоминающий элемент (ЗЭ) представляет собой, например, триггерную схему, изображенную на рис. 15.2, а, причем в рассматриваемой схеме ключи выбора столбцов исполняют роль коммутаторов разрядных шин, изображенных на рисунке справа и слева возле каждого ЗЭ.

Транзисторы ЗЭ, затворами соединенные с адресной шиной элемента, подключены к шинам возбуждения строк, которые являются выходами дешифратора строк. При возбуждении строки сигналом выборки х0-х15, снимаемым с выхода дешифратора адреса строк, ключевые транзисторы открываются и подключают входы-выходы триггера к разрядным шинам. При отсутствии сигнала выборки строк (х = 0) ключевые транзисторы закрыты и триггер изолирован от разрядных шин. Для сохранения информации требуется источник питания, т.е. ОЗУ – энергозависимое.

Особенность МОП (КМДП)-триггеров заключается в том, что в режиме хранения они потребляют незначительную мощность от источника питания. В режиме обращения, когда переключаются элементы матрицы, дешифраторы и другие функциональные узлы микросхемы, уровень энергопотребления возрастает на два – три порядка.

Доступ к разрядным шинам столбца со стороны УВВ обеспечивается сигналом СS = 1, открывающим ключи VТ0, VТ1. Настройку УВВ на прием сигнала для записи со входа DI осуществляет сигнал

W/R = 1.

В большинстве микросхем памяти УВВ содержит выходной ключевой усилитель – формирователь, способный принимать три состояния на выходе: «0», «1» и третье состояние (высокоомное), имеющее обозначение «Z».

По способу управления различают асинхронные и синхронизируемые (тактируемые) ОЗУ. У асинхронных статических ОЗУ сигналы управления могут быть поданы в виде уровней напряжений, соответственно 0 и 1, у тактируемых – в форме импульса.

Структура микросхемы статического ОЗУ со словарной организацией представлена на рис. 15.6.

Рис.15.6.Структурная схема статического

ОЗУ со словарной организацией

Сигнал разрешения выхода ОЕ позволяет в режиме хранения запрещать вывод информации: при ОЕ = 1 входы-выходы DIO0 – DIO7 принимают третье состояние, информация на выходе отсутствует. В представленной схеме запись и чтение информации производится восьмиразрядными кодовыми словами, что повышает быстродействие устройства. По количеству адресуемых слов и их разрядности можно определить, что ёмкость рассматриваемого ЗУ составляет 2048 байт (2 КБ) или 16 Кбит.

Выбор определенного типа ЗУ при проектировании основывается на оценке их классификационных и статических параметров, перечисленных ниже.

Классификационные параметры:

–информационная емкость – число бит;

–число разрядов адреса – число слов адреса;

–число разрядов слова в ЗУ;

–Кр – коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность);

–число циклов перепрограммирования;

–Рпотр. – мощность потребления в рабочем режиме;

–Рнагр. – мощность потребления в режиме хранения;

–время хранения информации (быстродействие).

Статические параметры:

–Uсс – напряжение источника питания;

–Iсс – ток потребления;

–Uссs – напряжение питания в режиме хранения;

–Iссs – ток питания в режиме хранения;

–U1 – уровень логической 1;

–U0 – уровень логического нуля.

15.6. Постоянные запоминающие устройства

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации, остающейся неизменной в течение длительного времени или всего времени эксплуатации устройства. Такая