Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

KONSPEKT_LEKTsIJ_EiEKUiS

.pdf
Скачиваний:
80
Добавлен:
16.03.2016
Размер:
21.73 Mб
Скачать

На рис. 7.15, б показан момент, когда по аппликации расщепления подан импульс тока. Импульс вызывает расщепление домена. Направление тока должно быть такое, чтобы магнитное поле этой аппликации складывалось с рабочим полем смещения. Домен делится на два, и ЦМД, генерированный в соответствии со знаком управляющего поля, продвигается под левый выступ Т-образной аппликации. На рис. 7.15, в, г показано последовательное продвижение генерированного домена по линейке магнитных аппликаций. Изображения на рис. 7.15, б-д соответствуют первому – четвертому тактам. В четвертом также может зародиться новый домен, если подряд записываются «1» (при этом Ir>0), или не зародиться, если нужно записать «0» (при этом Ir=0). На рис. 7.15, д показан случай, когда записывается «0».

Таким образом, поступающая для записи последовательность «1» и «0» с помощью импульсов тока Ir создает новый домен, когда записывается «1» или не создает домен, когда записывается «0». Совокупность «1» и «0» постепенно продвигается по линейке.

Считывание информации, записанной в доменной структуре. После того, как информация записана в накопитель на ЦМД, она может там храниться столь угодно долго, если сохраняется Нсм.раб, что обычно не представляет трудностей, так как создается это поле постоянным магнитом.

Для считывания информации, т. е. для выявления доменов, расположенных вдоль линейки, необходимо начать их продвижение тем же методом, что и при записи. Затем домены следует подвести последовательно к детектору, который должен определить, что в данном такте записано: «1» (есть домен) или «0» (нет домена). Существует много способов считывания. Используют эффект индукции, магниторезистивный эффект Холла и магнитооптический эффект Фарадея. Наиболее широкое применение нашли магниторезистивные детекторы. Работа детекторов (датчиков) основана на том, что под воздействием внешнего магнитного поля, которое присуще каждому домену, изменяется удельное сопротивление ρ магнитной резистивной пленки (аппликации), если домен подводится под нее.

Известно, что у некоторых магнитных материалов сопротивление зависит от напряженности магнитного поля, причем особенно сильно магнитное поле изменяет сопротивление тогда, когда магнитные силовые линии направлены перпендикулярно протеканию тока. Этот эффект используется в магниторезистивных детекторах, в которых осуществляется считывание информации, записанной в ЗУ на основе ЦМД. Принцип действия такого детектора показан на рис. 7.16, где: 1 – пермаллоевая пленка детектора шириной d; 2 – проводники, соединяющие пермаллоевую пленку с цепью считывания; 3 – ЦМД, показанный в том положении, когда он наиболее существенно меняет сопротивление детектора; 4 – магнитные силовые линии поля Нсм, создаваемого постоянным магнитом 5; 6 – магнитные силовые линии домена; 7 – феррит-гранатовая пленка, в которой находятся домены; 8

– подложка. Из рис. 7.16 видно, что благодаря высокой магнитной…….

221

Рис. 7.17

… последовательно заносятся в РГвв, а затем с помощью переключателя обмена ПО переносятся в РГхр. При считывании, наоборот, информация из РГхр переносится в РГв=в и последовательно считывается в детекторе Д без дублирования или с дублированием при необходимости сохранения информации. Недостатком данной организации ЗУ на ЦМД (рис. 7.17,а) является достаточно большое время циклов записи и считывания. Для повышения быстродействия таких ЗУ применяют раздельные регистры ввода РГвх и вывода РГхр информации. В ЗУ на ЦМД с помощью переключателя-репликатора ПР информацию считывают без разрушения

[42] (рис. 7.17,б).

Конструкция ЗУ на ЦМД. Устройство такого ЗУ видно из рис. 7.18, где 1 — ЦМД (примерно 1,2·103 нм); 2 — немагнитная гранатовая подложка (примерно 1,5·103 нм); 3 — магнитная пленка (примерно 1,5·103 нм); 4 — слой двуокиси кремния SiO2 (примерно 50 нм); 5 — токовые шины (Al, Cu, примерно 250 нм); 6 — пермаллоевые аппликации (Ni, Fe, примерно 420 нм); 7 — защитный слой нитрида кремния. Конструкция микросборки ЗУ на ЦМД представлена на рис. 7.19, где 1 — магнитное основание; 2 — магнитная плата; 3 — экран; 4, 5 — ортогональные катушки для создания вращающегося магнитного поля; 6, 7 — постоянные магниты; 8 — корпус; 9 — магнитный экран; 10 — прокладка. Конструкция модуля ЗУ на ЦМД емкостью 108 битов показана на рис. 7.20, где 1 — печатная монтажная плата; 2 — верхний пермаллоевый экран; 3 — плата с пленками; 4 — постоянный магнит; 5 — промежуточный пермаллоевый экран; 6 — соединитель и нижнее пермаллоевое основание. Конструкция платы ЗУ на ЦМД, рассчитанной на 16 кристаллов емкостью 105 битов каждый, приведена на рис. 7.21, где: 1 — предусилитель; 2 — контактная площадка; 3 — кристалл; 4 и 5 — управляющие катушки.

222

Рис. 7.18

223

224

Рис. 7.21

Перспективы развития элементов памяти на ЦМД. Большая плотность записи информации и относительно быстрое считывание делают ЗУ на ЦМД перспективными для использования в цифровых устройствах. Поскольку устройства на ЦМД только начали развиваться, следует ожидать большого прогресса в их параметрах. Можно выделить несколько направлений развития ЗУ на ЦМД.

1.Совершенствование структуры системы аппликаций, обеспечивающей зарождение, продвижение, расщепление и уничтожение доменов. Поскольку эти аппликации наносятся методами технологии микроэлектроники, то без усложнения технологического процесса можно осуществлять напыление токовых и магнитных аппликаций самой различной формы. Изложенный выше пример можно отнести к простейшей токовой и магнитной аппликациям. В настоящее время уже имеется много других структур аппликаций.

2.Значительное увеличение плотности размещения доменов на пленке. Можно достичь такой плотности, когда домены почти примыкают друг к другу, при этом для записи «0» и «1» можно использовать домены с различной намагниченностью.

3.Переход от внешних достаточно громоздких взаимоперпендикулярных катушек, создающих магнитное поле, к токовым контурам, напыленным непосредственно на пленках ЦМД.

Основные трудности широкого применения ЗУ на ЦМД связаны с технологией изготовления подложек и магнитных пленок. Перечень параметров ЗУ на ЦМД дан в таблице 7.1 [45,46].

225

 

 

 

Табл.7.1

 

 

 

 

Параметр

Современное

Ближайшая

Перспектива в

состояние

перспектива

будущем

 

Диаметр доменов,

4…6

2…1

1

мкм

 

 

 

Информационная

 

 

 

емкость

106

107

107

отдельных плат,

 

 

 

бит

 

 

 

Информационная

 

 

 

емкость системы

107

109

1010

памяти, состоящей

из многих плат,

 

 

 

бит

 

 

 

Быстродействие,

0,1…0,5

0,5…0,3

1…5

МГц

 

 

 

Удельная

 

 

 

стоимость (д. е. –

 

 

 

денежные

0,3

0,04

0,03…0,01

единицы) на

 

 

 

уровне системы,

 

 

 

д.е./бит

 

 

 

7.4 ЭЛЕМЕНТЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Принцип действия ЗУ на ПЗС. Если сложные системы ОЗУ

(полупроводниковые), которые приспособлены к хранению большого количества, использовать нецелесообразно, находят применение ЗУ динамического типа с более простой организацией и меньшим объемом памяти. Наиболее характерным представителем таких элементов ЗУ являются приборы с зарядовой связью.

Принцип действия ПЗС был представлен в главе 6. Очевидно, что любая линейка ПЗС может быть использована как ЗУ на то количество бит, сколько ячеек она содержит. При применении ПЗС в качестве ЗУ возникают те же проблемы, с которыми сталкиваются при их использовании для фильтрации, но в несколько другой форме. Ограниченное время существования информационного заряда в данном случае приводит к тому, что время хранения информации в памяти оказывается также ограниченным. Однако при использовании ПЗС как элемента ЗУ допустимая потеря заряда может быть значительно больше, чем в фильтрах, так как ЗУ предусматривает запись двоичной информации, т.е. «1» - заряд есть, «0» - заряда в соответствующей ячейке нет. Для того чтобы сохранить информацию на более длительное время, приходится осуществлять ее регенерацию, т. е. периодически выводить информацию из ПЗС, ….

226

…..экономически оправдан только при больших объемах производства. Примерами таких БИС могут служить микросхемы для электронных часов, карманных микрокалькуляторов и других изделий. Микропроцессоры представляют собой цифровые БИС, выполняющие законченный процесс обработки информации и предназначенные для построения – широкого набора различного назначения. Сюда относятся специализированные и универсальные микроЭВМ, устройства автоматического управления и др. Использование последних достижений современной микропроцессорной технологии позволяет создавать на одном кристалле процессора также устройства оперативной и постоянной памяти. Такие БИС получили название однокристальных микроЭВМ. Матричные БИС содержат на кристалле прямоугольную матрицу, состоящую из нескольких сотен или тысяч логических элементов. Созданием определенного рисунка металлических соединений из этих элементов получаются специализированные БИС для конкретных цифровых устройств. Используя одну из таких матриц и изменяя рисунок соединений, можно реализовать большой набор цифровых БИС различного назначения. Отдельный класс цифровых БИС составляют БИС запоминающих устройств.

§6.8. ИМС запоминающих устройств

Среди цифровых ИМС различного функционального назначения особое место занимают БИС запоминающих устройств (3У), предназначенные для приема, хранения и выдачи информации, представленной двоичным кодом.

Внастоящее время разработана и серийно производится широкая номенклатура различных типов БИС ЗУ, определяемая выполняемыми ими функциями, структурой, схемотехникой построения и технологией изготовления.

Классификация и основные параметры. По выполняемым функциям, что обусловлено режимами работы, БИС ЗУ условно подразделяют на четыре класса: оперативные ЗУ, постоянные ЗУ (или ЗУ с преимущественным считыванием), ассоциативные ЗУ и ЗУ последовательного типа. Наибольшее распространение получили БИС оперативных и постоянных ЗУ.

Оперативные ЗУ (ОЗУ) осуществляют запись, хранение и считывание произвольной (переменной) двоичной информации с заданным быстродействием. БИС ОЗУ предназначены для построения основной памяти цифровых систем, в которой хранятся программы и массив данных, определяющие процесс текущей обработки информации. Отдельную группу в этом классе БИС составляют сверхоперативные ЗУ (СОЗУ), быстродействие которых соответствует скорости работы процессора системы.

Постоянные ЗУ (ПЗУ) служат для хранения информации, содержание которой не изменяется в процессе работы системы. БИС ПЗУ предназначены для хранения постоянных массивов информации: стандартных подпрограмм и микропрограмм, преобразователей кодов и, генераторов символов, констант, табличных значений различных функций и др. Применение БИС ПЗУ

227

расширяет технические возможности ЭВМ, повышает их быстродействие и надежность, позволяет уменьшить количество необходимых БИС ОЗУ. В зависимости от способа занесения информации (программирования) различают три основные разновидности БИС ПЗУ: собственно ПЗУ с масочным программированием (ПЗУМ), электрически программируемые ПЗУ (ППЗУ) и репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ).

БИС ЗУ (оперативных, постоянных, ассоциативных) состоят из накопителя информации и схем управления. Накопитель предназначен для хранения информации и представляет собой матрицу запоминающих элементов (ЗЭ), реализуемых на простейших логических схемах или отдельных транзисторах (иногда диодах).

Вкачестве схем управления в БИС ЗУ, применяют дешифраторы (ДШ), адресные формирователи, усилители считывания и записи, схемы синхронизации и местного управления. Состав схем управления зависит от типа БИС ЗУ; в них предусматривают также схемы, обеспечивающие согласование БИС ЗУ по логическим уровням с другими типами серийно выпускаемых ИМС.

По принципу построения накопителя информации БИС ЗУ строятся со словарной организацией (однокоординатной выборкой) или матричной организацией (двухкоординатной выборкой). Метод словарной организации выборки применим только в БИС с небольшим количеством ЗЭ, что обусловлено сложностью построения дешифратора с числом выходов, равным числу ЗЭ. Матричный метод предусматривает построение накопителя в виде квадратной матрицы из ЗЭ и использование двух дешифраторов для выбора столбца и строк.

По способу доступа к информации различают БИС ЗУ с произвольной и последовательной выборками. В БИС ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) в произвольный момент времени можно выполнить запись или считывание информации в любых ЗЭ. В БИС ЗУ с последовательной выборкой содержимое каждого ЗЭ может изменяться или выдаваться только через определенные интервалы времени, называемые периодом обращения (период обращения делится на отдельные такты, число которых равно количеству ЗЭ).

Взависимости от структуры БИС ЗУ организация выборки в них может быть одноразрядной (осуществляется выборка ЗЭ, хранящего один разряд информации) и словарной (одновременно выбирается слово или его часть, хранящанся в нескольких 3Э).

Для построения БИС ЗУ (накопителя и схем управления) используется различная элементная база: диоды, биполярные и МДП-транзисторы, а также простейшие логические элементы типа ТТЛ, ТТЛШ, ИЛ, ЭСЛ, МДПТЛ или КМДПТЛ, модифицированные применительно к ЗУ.

Схемотехническое построение и элементная база БИС ЗУ определяют их основные характеристики: информационную емкость, быстродействие и потребляемую мощность.

Информационная емкость N – максимальный объем хранимой информации (бит, К бит), определяется числом ЗЭ в накопителе. При одинаковой емкости

228

БИС ЗУ могут иметь различную организацию выборки (например для N

=4096 – 4096×1, 1024×4, 512×8, 256×16).

Быстродействие БИС ЗУ характеризуется двумя основными параметрами: временем выборки адреса tв.а и временем цикла записи tц.зп (считывания tц.сч). Время tв.а интевал времени между моментом подачи сигнала выборки и появлением информации на выходе БИС. Время цикла tц – интервал времени между началами (окончаниями) сигналов на одном из управляющих входов, в пределах которого БИС выполняет одну из функций: запись tц.зп, считывание tц.сч, запись – считывание tц.зп.сч считывание – запись tц.сч.зп. Поскольку значения tв.а и tц определяются элементной базой, используемой в накопителе и схемах управления, в ряде случаев в одной БИС для накопителя и схем управления используют различные типы элементов.

Потребляемая мощность Р, логические уровни, помехоустойчивость, нагрузочная способность и другие параметры БИС ЗУ аналогичны параметрам других типов цифровых ИМС. В отдельных случаях БИС ЗУ характеризуются удельной потребляемой мощностью Р0, т. е. мощностью, потребляемой БИС, отнесенной к ее информационной емкости, или током Iпот, потребляемым от источника питания.

Оперативные ЗУ. По принципу хранении информации в ЗЭ и способу управления ими все БИС ОЗУ подразделяются на статические, динамические, псевдостатические и квазистатические. В статических ОЗУ хранение информации в ЗЭ осуществляется постоянным источником питания. В динамических и псевдостатических ОЗУ информация хранится в ЗЭ в виде накопленных зарядов на паразитных емкостях диодов или транзисторов, а регенерация зарядов (восстановление информации) происходит периодически во время действия внешних (для псевдостатических ОЗУ) синхронизирующих сигналов. В квазистатических ОЗУ применяют статические ЗЭ и динамический способ управления периферийными схемами для снижения потребляемой мощности.

Разрабатывают БИС ОЗУ на биполярных и МДП-транзисторов и их модификаций. БИС ОЗУ на биполярных транзисторах представляют собой в основном статические ОЗУ. Они предназначены для применения в качестве регистров процессора, сверхоперативной и буферной памяти и характеризуются высоким быстродействием (tв.а=5÷50 нс). Для их построения используется схемотехника ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и И2Л. ЗЭ БИС статических ОЗУ обычно состоят из бистабильной ячейки, хранящей один заряд двоичной информации. Наибольшее применение получили биполярные ЗЭ на двухэмиттерных транзисторах, тиристорах и элементах И2Л. Схемы ЗЭ на биполярных транзисторах для БИС статических и динамических ОЗУ приведены на рис. 6.21. Типовая структура БИС статических ОЗУ состоит из матричного накопителя, дешифраторов, усилителей записи – считывания, буферных схем и схем управления.

В качестве примера на рис. 6.22 приведена структурная схема БИС быстродействующего статического ОЗУ К500РУ470 типа ЭСЛ емкостью 4К бит (4096×1). В данной БИС накопитель представляет собой матрицу 64×64, где симметричные статические ЗЭ (см. рис. 6.21, а) объединяются в строки по адресной шине АШ1 и адресной шиной АШ2, соединенной с общим источником тока хранения. По столбцам ЗЭ объединяются двумяразрядными

229

шинами РШО и РШ1, к которым подключаются первые эмиттеры двухэмиттерных транзисторов. По этим шинам производится дифференциально запись или считывание информации. В режиме хранения на шине АШ1 пониженный потенциал, переходы транзисторов база – эмиттер 1 закрыты и триггер образован на транзисторах с эмиттерами 2, в одном из которых проходит ток хранения. При выборке строки повышается потенциал на шине АШ1 и через переход база – эмиттер 1 открытого транзистора проходит ток считывания. Необходимое значение тока считывания обеспечивают генераторы тока, подключенные к шинам РШ. Вход выбора микросхемы CS (рис 6.22) обеспечивает нужный режим выборки (считывания) или хранения (записи) информации. Выборка информации осуществляется при подаче соответствующих адресных сигналов на дешифраторы ДШХ и ДШУ, в результате адресный дешифратор ДШХ выдает сигнал выборки в адресную шину, а разрядный дешифратор ДШУ – в разрядную шину и включает соответствующие усилители записи – считывания.

Рис. 6.21. Схемы ЗЭ БИС ОЗУ на биполярных транзисторах:

а - на двухэмиттерных транзисторах; б - на тиристорах; в - на элементах И2Л2; г - динамического типа

Рис. 6.22. Структурная схема БИС статического ОЗУ типа ЭСЛ емкостью

4096 бит

Вход разрешения записи W позволяет производить запись «0» и «1» в зависимости от состояния входа информации D. Выход ОЗУ Q нагружается

230

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]