лекции / Лекции по схемотехнике / Лекция_19

ЛЕКЦИЯ №19

Схемотехника интегральных запоминающих устройств.

План:

1. Основные параметры запоминающих устройств.

2. Классификация запоминающих устройств.

3. Виды постоянных запоминающих устройств.

4. Виды оперативных запоминающих устройств.

Ключевые слова:

Запоминающие устройства (ЗУ), ёмкость ЗУ, быстродействие ЗУ, оперативные ЗУ (ОЗУ-RAM), внешние ЗУ (SAM), постоянные ЗУ (ПУ-ROM), программируемые ПЗУ (ППЗУ), масочные ПЗУ, прожигаемые ПЗУ, статические ЗУ, динамические ЗУ.

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ее с другими частями ВМ или системы. Они являются одной из важнейших частей ЭВМ, определяющую зачастую ее возможности и стоимость.

В составе ЗУ можно выделить запоминающую среду, средства для записи и считывания данных, средства управления, синхронизирующие работу ЗУ.

Емкость запоминающего устройства определяется максимально возможным объемом хранимой им информации. Она измеряется в битах либо в количестве слов с указанием разрядности. Для выражения емкости ЗУ используются 1К=2¹⁰=1024 байт или 1М=2²⁰=1048576 байт.

Организация ЗУ — количество и разрядность хранимых слов.

Быстродействие ЗУ — оценивают по времени считывания, записи и обращения.

Временем считывания называют отрезок времени между появлением сигнала считывания и моментом времени появления слова на выходе.

Временем записи называется время с момента появления сигнала записи до ее завершения.

Обращением к ЗУ называют операцию, в результате которой происходит считывание либо запись информации. Временем обращения является интервал между двумя последовательными обращениями к ЗУ.

По назначению все ЗУ можно разделить на три крупных класса:

• устройства внутренней памяти;

• устройства внешней памяти;

• устройства буферной памяти.

Устройства внутренней памяти непосредственно участвуют в процессе преобразования информации, обмениваясь данными с процессором ЭВМ или ВС.

Внешняя память содержит большие массивы информации, хранит их в течение длительного времени и обменивается данными с внутренней памятью.

Буферные ЗУ предназначены для промежуточного хранения данных при обмене между внешней и внутренней памятью.

По способу записи и считывания данных ЗУ подразделяются на:

• оперативные ЗУ с произвольным доступом (RAM);

• внешние ЗУ с последовательным доступом (SAM);

• постоянные ЗУ (ROM).

Оперативные ЗУ (ОЗУ) относятся к внутренней памяти, хранят данные, участвующие в текущих вычислениях, и должны быть быстродействующими. ЗУ с произвольной выборкой имеют время обращения, не зависящее от месторасположения запоминающей ячейки. БИС ОЗУ выполняются как статические или динамические. В первом случае ЗЯ реализуется на биполярных приборах и МОП-структурах, данные хранятся в ЗЭ типа триггеров, и не требуют регенерации. Во втором случае ЗЭ реализуются на МОП-структурах, данные хранятся в виде зарядов емкостей и должны периодически регенерироваться.

В ЗУ с последовательным доступом (Serial Access Memory — SAM) время обращения к ячейке зависит от ее расположения. Так, в ЗУ с накопителем на магнитном диске время обращения поочередно к соседним ячейкам значительно меньше, чем время обращения к произвольно расположенной ячейке. Среди БИС памяти к SAM относятся ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) и ЗУ на приборах с зарядовой связью (на ПЗС).

В зависимости от идентификатора местоположения данных различают адресные, ассоциированные, файловые, магазинные (стековые) и другие виды ЗУ.

Постоянные ЗУ (ПЗУ или ROM — Read Only Memory) первоначально хранили данные, однократно фиксированные при изготовлении (константы, микропрограммы и т.п.). В последнее время широко используются программируемые ПЗУ (ППЗУ или PROM — Programmable Read Only Memory). Если программирование производится на последнем этапе изготовления БИС с помощью специальной маски, то говорят о ПЗУ масочного типа. Имеются ППЗУ, в которых информация однократно фиксируется после изготовления ЗУ, что может быть выполнено непосредственно пользователем. Существуют также ППЗУ, информация в которых может быть изменена многократно. От ОЗУ они отличаются тем, что запись не является оперативной, а выполняется как специальный длительный процесс специальными средствами. Такие ЗУ называются репрограммируемыми. В них хранятся редко используемые данные.

Широко распространен вид ППЗУ, в которых программирование осуществляется путем пережигания плавких перемычек в определенных частях схемы (прожигаемые ЗУ). Очень популярны ППЗУ с изменением информации после предварительного стирания старой информации с помощью ультрафиолетовых лучей. Разработаны РПЗУ со сменой информации электрическим способом (EAROM — Electrically Alterable Read Only Memory).

Масочные и прожигаемые ЗУ содержат информацию, которая не может быть изменена. Масочные ЗУ подвергаются операции записи информации на этапе изготовления микросхем с помощью специального шаблона, а прожигаемые программируются после изготовления на специальной аппаратуре. При большой тиражности изготовления ЗУ предпочтительнее масочное программирование, а при малой — путем пережигания перемычек. В обоих видах ЗУ нет ограничений на время хранения и число считываний. Запоминание бита информации в обоих видах ЗУ сводится к наличию или отсутствию некоторого элемента связи между выбранной адресной шиной и шиной считывания.

В качестве варианта прожигаемого ЗУ можно рассмотреть микросхему серии К155 — элемент 155РЕ3. Емкость ПЗУ — 256 бит, формат — 32 восьмиразрядных слова. Накопитель ПЗУ содержит 32 транзистора с 9-ю эмиттерами в каждом (8 рабочих + 1 технологический для уточнения режима прожигания).

При подаче высокого потенциала логической «1» на какую-либо адресную шину ШВ соответствующий многоэмиттерный транзистор работает в режиме повторителя и выдает высокий потенциал на все восемь выходных шин. До записи данных по любому адресу выдается слово, состоящее из одних единиц. Для записи в ПЗУ нужных данных исключаются некоторые связи между эмиттерами транзисторов и горизонтальными выходными шинами, в частности, пережигаются током определенной амплитуды и длительности плавкие перемычки. Отсутствие плавкой перемычки дает «0» в соответствующем разряде выходного слова.

В ПЗУ кроме накопителя содержится дешифратор адреса, на вход которого подается 5-ти разрядный код адреса (необходимый для 32-х слов).

Электрические характеристики ПЗУ серии 155:

время задержки от адресного входа не более 45 нс

время задержки от входа РВ не более 35 нс

микросхема потребляет ток не более 80 мА

условное обозначение:

Статические триггерные ЗУ могут быть оперативными, сверхоперативными и буферными. Их емкость от 64 бит до 64 Кбит, а время обращения 6 нс – 4 мкс. Запоминающими элементами этих ЗУ служат простейшие триггеры, т.е. схемы с двумя устойчивыми состояниями и цепями установки в то или иное состояние, Триггеры могут выполняться на основе любой системы элементов (ТТЛ, ЭСЛ, И²Л, p-МОП, n-МОП, КМОП). Во всех случаях запоминающая цепь состоит из двух инверторов, соединенных накрест, т.е. вход одного соединен с выходом другого.

Из биполярных запоминающих элементов наиболее широко применяются компактные схемы элементов хранения на многоэмиттерных транзисторах, которые обеспечивают гибкую организацию цепей управления.

Схема биполярного ЗЭ.

Установка триггера в одно из устойчивого состояния производится подачей сигналов в точки А и Б схемы.

Запоминающие элементы работают в режимах записи, хранения и считывания. Пусть «0» соответствует следующее состояние: Т₂ – закрыт, Т₁ – открыт. Тогда для записи «1» необходимо одновременно подать положительный сигнал на адресную шину ША, положительны сигнал на разрядную шину ШР «0» и отрицательный на разрядную шину ШР «1». В этом случае происходит переключение триггера: Т₁ – закрывается, а Т₂ – открывается. После снятия сигналов с управляющих шин ЗЭ переходит в режим хранения «1».

Считывание информации производится подачей положительного сигнала по адресной шине ША.

Наиболее широко для построения памяти используются запоминающие элементы на МОП-структурах, которые делятся на статические и динамические. В качестве базовой схемы ЗЭ статического типа можно представить следующую схему.

Схема построена на 6-ти униполярных транзисторах. Запоминающий элемент представляет собой триггерную схему на транзисторах Т₁ и Т₂, нагрузкой которых являются транзисторы Т₃ и Т₄. Управляющие транзисторы Т₅ и Т₆ выполняют роль вентилей при обращении к запоминающему элементу. Управляющие сигналы, с помощью которых осуществляется режим записи и считывания информации, подаются по шинам адресной ША и разрядной ШР «0» и ШР «1». Если принять, что нулевому состоянию триггера соответствует открытый транзистор Т₁, то запись «1» производится подачей положительного сигнала на ША, одновременно с которым передается отрицательный сигнал на ШР «0». Сигналом на ША открываются оба управляющих транзистора Т₅ и Т₆, через которые производится перезаряд емкостей узлов А и Б схемы. Отрицательный заряд на ШР «0» приведет к тому, что транзистор Т₁ – закроется, а Т₂ – соответственно откроется. Считывание информации производится подачей сигнала по шине ША, причем амплитуда сигнала выбирается так, чтобы не произошло переключение триггера. Недостатком подобных запоминающих элементов является большая потребляемая мощность.

В динамических запоминающих элементах, построенных на униполярных транзисторах, используется возможность представления информации в виде заряда емкости, который может сохраняться достаточно долгое время. Однако наличие токов утечки приводят к необходимости производить подзаряд емкости, т.е. восстанавливать (регенерировать) хранимую информацию. Принцип динамического хранения позволяет уменьшить число компонентов схемы, снизить мощность потребления, увеличить плотность размещения компонентов схем.

ОЗУ выполняется в виде матриц запоминающих элементов статического или динамического типа и содержат также дешифраторы адреса и управляющие схемы. Примером ОЗУ на биполярных транзисторах может служить ИС К155РУ1, К155РУ5.

К155РУ1: время обращения ≤ 60нс, объём (16х1) бит.

К155РУ5: время обращения ≤ 60нс, объём (256х1) бит.

ЗУ статического типа на КМОП – КР188РУ2: время обращения ≤500нс, объём (256х1) бит.

ЗУ динамического типа – КР565РУ1: время обращения ≤ 480нс, время регенерации ≤ 2мс, объём (4096х1) бит.

Вопросы для контроля:

1. Какие существуют виды ЗУ?

2. В чем отличие пассивных и активных элементов памяти?

3. Как строятся ПЗУ и ОЗУ?

4. В чем достоинства и недостатки различных видов ЗУ?

Литература:

1. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.218-230, 185-190.

2. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.62-76.