3.2 Оперативные запоминающие устройства

Оперативная память микро-ЭВМ чаще всего бывает полупроводниковой. Матрица триггеров или других запоминающих элементов компонуется как единая интегральная схема. Обычным, например, является размещение в одном кристалле ИС матрицы емкостью 4096 бит. ОЗУ, как и ПЗУ являются устройствами с произвольным доступом и представляют собою матрица активных энергонезависимых элементов.

Оперативные запоминающие устройства делятся на два класса – статические и динамические ОЗУ. В статических ОЗУ для хранения 1 бит информации используется отдельный триггер, и эта информация сохраняется пока есть питание. В динамических ОЗУ информация хранится в виде электрических зарядов емкости затвор-подложка МОП – транзистора. Эта емкость через несколько миллисекунд разряжается, так что требуется ее периодическая подзарядка (регенерация). Динамическое ОЗУ имеет важное значение, поскольку в памяти этого типа используется меньшее количество элементов на бит запоминаемой информации., чем в устройствах статического типа (обычно три – четыре транзистора вместо шести - восьми), что позволяет достичь более высокого уровня интеграции. Динамическая память обладает также более высоким быстродействием и потребляет меньшую мощность в устойчивом состоянии. Однако для организации цикла регенерации требуется дополнительное, часто внешнее схемное оборудование. Поэтому динамическая память эффективна лишь для ОЗУ относительно большого объема. Память же малого объема обычно реализуют на статических элементах. Граница между этими типами ОЗУ постепенно сдвигается в сторону меньшего объема памяти по мере того, как все большая часть схемы регенерации включается в общую схему.

Статические ОЗУ

Статические ОЗУ являются основным типом ЗУ для многих микро-ЭВМ. Рассмотрим статическое ОЗУ Nx1. Схема входных и выходных линий показана на рис. 3.6.

а) Адресные линии. Количество адресных линий r определяется объемом ОЗУ (Nбит ). Например, ОЗУ объемом 1024 бит имеет 10 адресных линий.

б) Линия вывода данных. Используется для вывода адресованного двоичного разряда памяти.

в) Линия ввода данных. Используется для записи адресованного информации в соответствующий разряд памяти.

г) Линия чтения/записи. При помощи этой линии на устройство подается команда ЧТЕНИЕ (вывод) либо ЗАПИСЬ (ввод).

д) Линия выбора (отпирания) кристалла. Используется для отключения ОЗУ от выходной шины данных (при помощи устройства с тремя состояниями) и наложения запрета на действие схемы ЗАПИСЬ. Данная линия предназначена для управления доступом к кристаллу при использовании более чем Nслов памяти.

Внешнее функционирование элемента памяти можно описать в терминах циклов ЧТЕНИЯ и ЗАПИСЬ. Для чтения 1 бит информации из памяти выполняется следующая последовательность действий.

Линия чтения/записи переводится в состояние ЧТЕНИЕ.

Адрес ячейки памяти, из которой считывается информация, подается на адресные линии.

Память отпирается путем подачи соответствующего сигнала на линию выбора кристалла.

Через промежуток времени, необходимый для передачи информации на выход, происходит считывание требуемого бита с линий вывода.

Цикл ЧТЕНИЕ типичного ОЗУ емкостью 1024 бита составляет примерно 1 мкс.

Цикл ЗАПИСЬ подобен циклу чтение, за тем лишь исключением, что линия чтения/записи должна быть установлена в состояние ЗАПИСЬ только после выдачи адреса за промежуток времени достаточный для прохождения сигнала через память. При реализации цикла запись производится следующая последовательность шагов.

Адрес, по которому записывается бит информации, подается на адресные линии.

Память отпирается путем подачи соответствующего сигнала на линию выбора кристалла.

На линию чтения/записи подается импульс.

Записываемый бит информации подается на линию ввода.

Для типичного статистического ОЗУ цикл записи занимает 1 мкс.

Для ОЗУ размером NxM, содержащего N слов по M бит в каждом процедура доступа к памяти для слова длинной Mбит такая же, что и для слова в 1 бит, только вместо линии ввода и линии вывода используется поMлиний ввода и вывода.

Рис. 3.6. Статическое ОЗУ емкостью Nx1 бит.

Статическая ячейка ОЗУ

Оперативные ЗУ состоят из отдельных ячеек памяти. В ЗУ данного типа может использоваться адресация как по принципу линейной выборки, так и по принципу совпадения токов . Адресация по принципу совпадения токов обычно применяется в ОЗУ большого объема. Адресуемым элементом ОЗУ может быть 1 бит либо слово из нескольких битов. В последнем случае одновременно используется несколько ячеек. При производстве полупроводниковых ОЗУ используется различная технология, например TTL,ECL, МОП.

Динамические ОЗУ

Функционирование динамического ОЗУ усложняется из-за необходимости периодической регенерации хранимой информации. В типичном динамическом ОЗУ имеются следующие входные и выходные линии (рис. 3.7):

а) Адресные линии. Как и в случае статических ОЗУ, количество адресных линий зависит от объема памяти; например, ОЗУ объемом 1024 бит имеет 10 адресных линий, поскольку . В большинстве динамических ОЗУ используется выборка по принципу совпадения токов.

б) Линия вывода данных. Число этих линий является функцией длинны слова, хранимого в ОЗУ. Например, ОЗУ размером 256х4 имеет 256 адресов и каждый адрес соответствует 4 бит (т.е. ОЗУ располагает четырьмя линиями вывода).

в) Линия ввода данных. Число линий ввода также зависит от длинны слова, хранимого в памяти. На эти линии поступают сигналы, соответствующие отдельным битам записываемой в ОЗУ информации.

г) Линия предварительной зарядки. На данную линию подается импульс тока перед считыванием информации с линий ввода для того, чтобы зарядить выходные емкости. Подача этого импульса должна быть синхронизирована с импульсом, поступающим на выбор кристалла.

д) Линия чтения/записи Единственная линия, на которую подается сигнал ЧТЕНИЕ (вывод) или ЗАПИСЬ (ввод). Она обычно находится в состоянии ЧТЕНИЕ.

е) Линия выбора (отпирания) кристалла. Данная линия используется для управления входом и выходом памяти. Для выполнения каждого цикла ЧТЕНИЕ или ЗАПИСЬ на эту линию подается импульс, синхронизированный с импульсом, поступающим на линию предварительной зарядки.

При чтении слова из ОЗУ выполняются следующие действия.

Адрес слова, которое необходимо считать, поступает на адресные линии, где сохраняется в течении необходимого промежутка времени.

На линию предварительной зарядки подается сигнал.

Линия чтения/записи переводится в состояние ЧТЕНИЕ. После выполнения операции ЗАПИСЬ линия чтения/записи должна быть переведена в состояние в состояние ЧТЕНИЕ, прежде чем изменится состояние адресной шины.

При возбуждении линии предварительной зарядки активируется линия отпирания кристалла. При этом время, в течении которого обе эти линии возбужденны, должно быть строго определенным.

Для реализации циклов ЗАПИСЬ или ЧТЕНИЕ/ЗАПИСЬ помимо перечисленных выше действий потребуется еще одно:

При возбуждении линии отпирания кристалла на линию чтения/записи должен поступить сигнал ЗАПИСЬ, а на линию ввода данные.

Рис. 3.7. Типичное динамическое ОЗУ NxM

МОП – ячейка динамического ОЗУ

На рис. 3.8 показана типичная ячейка динамического ОЗУ на трех транзисторах. В дополнение к этим трем транзисторам, необходимым для компоновки основной ячейки, вводится четвертый, используемый при предварительной зарядке выходной емкости C_R. Бит информации хранится в виде заряда емкости затвор-подложка (C_g). Для опроса ячейки подается импульс на линию предварительной зарядки и открывается транзистор Т₄. При этом выходная емкость C_Rзаряжается до уровня Е_Си возбуждается линия выборки при считывании. В результате открывается транзистор Т₃, напряжение с которого подается на Т₂. Если в ячейки хранится 0 (C_R разряжена), то Т₂закрыт и на C_Rсохраняется заряд. Если же в ячейки содержится 1 (C_Rзаряжена), то транзистор Т₂открыт иC_Rразрядится. На выход поступит содержимое адресуемой ячейки.

Операция ЗАПИСЬ выполняется путем подачи соответствующего уровня на линию записи данных с последующей подачей импульса на линию выборки при записи. При этом транзистор Т₁включен, иC_Rзаряжается до потенциала линии данных.

Существуют различные схемные варианты реализации динамического ОЗУ. Во всех этих вариантах используется МОП – технология, поскольку для предотвращения быстрой разрядки емкости C_Rнеобходимо высокое полное входное сопротивление. Однако и для случая МОП – приборов необходима периодическая регенерация ячейки (подзарядкаC_R). Период регенерации зависит от температуры и находится, как правило, в интервале 1-3 мс при температуре от 0 до 55С.

Рис. 3.8. Типичная динамическая ячейка памяти.

Регенерация динамического ОЗУ

Регенерация ячейки динамического ОЗУ выполняется путем считывания хранимого байта информации, передачи его на линию записи данных и последующей записи этого бита в ту же ячейку при помощи импульса, подаваемого на линию выборки при записи. Для каждого столбца ячеек имеется свой усилитель регенерации. Поэтому для всех элементов одной строки регенерация осуществляется за один цикл. Во время регенерации адрес строки необходимо подать на дешифраторы. Поскольку все элементы строки регенерируются одновременно, то необходимо подать на дешифратор и адрес столбца. Регенерация для элементов строк должна производится каждые 2 мс и может быть выполнена для всех строк либо за 32 цикла подряд, либо перемежаясь с циклами ЧТЕНИЕ и ЗАПИСЬ. Для выборки адреса из регистра адреса памяти в течении обычного цикла памяти и для выборки адреса регенерируемой строки в цикле регенерации должны использоваться внешние логические схемы, а установление последовательности адресов регенерации производится при помощи счетчика приращений адреса строки.