Память микропроцессорных систем

2.3.1. Постоянные запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения неизменяемых данных.

ПЗУ — устройства, из которых можно считывать только заранее записанную информацию. Они служат для генерации кода какой-либо программы или данных, которые будут часто использоваться, что избавляет от необходимости загружать программу каждый раз заново. Информация в ПЗУ, в отличие от ОЗУ, записывается на кристалле с изменением его физических свойств, поэтому при отключении питания она сохраняется.

В наиболее простых масочных ПЗУ информация записывается при их изготовлении на заводе. Часто используется английский термин ROM (Read-Only Memory).

Более удобны для пользователя электрически программируемые ПЗУ: ППЗУ (PROM — англ. Programmable Read-Only Memory) - однократно «прошиваемые» пользователем, однако они позволяют только однократно записывать информацию. Запись производится у потребителя на специальном стендовом оборудовании путем разрушения элементов структуры ППЗУ под действием приложенного электрического напряжения или тока. Разрушаемыми элементами структуры могут быть проводящие плавкие перемычки, а также тонкий слой диэлектрика или p-n-переходы. К недостаткам ППЗУ относятся самовосстановление перемычек и достаточно большое время на процесс программирования (несколько сотен миллисекунд на каждую перемычку или диод).

Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ, или EPROM — англ. Erasable Programmable Read-Only Memory) позволяют многократно записывать и стирать информацию. РПЗУ позволяют осуществлять электрическую запись и стирание на специальном стендовом оборудовании. В РПЗУ УФ стирание информации осуществляется ультрафиолетовым облучением через входное окно корпуса ИС, а запись — электрическими сигналами.

Например, содержимое микросхемы К537РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом.

EEPROM — (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ. Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используеся в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флэш-память (англ. Flash Memory).

К ПЗУ можно также отнести:

CD-ROM

перфокарты и перфоленты.

В постоянную память обычно записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами.

Одним из видов микропрограмм, записанных в ПЗУ, является BIOS.

Простейшие устройства для запоминания постоянной информации можно построить на мультиплексорах. Схема такого постоянного запоминающего устройства приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема постоянного запоминающего устройства, построенная на мультиплексоре.

В этой схеме представлено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится подпайкой провода к источнику питания (запись единицы) или подпайкой провода к общей шине (запись нуля). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.

Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема многоразрядного ПЗУ.

В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше - это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в многомерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Рисунок 4. Схема масочного постоянного запоминающего устройства.

Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 5. Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ. Чтение микросхемы производится сигналом RD.

Рисунок 5. Обозначение масочного постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.

Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах - программаторах. В этих микросхемах постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход микросхемы подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить к общей шине), то через перемычку будет протекать ток, который разрушит эту перемычку и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль.

Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) и изображаются на принципиальных схемах, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.

Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.

ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:

Рисунок 7. Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.

Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния - диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании микросхемы на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подается высокое напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения на плавающем затворе индуцированный заряд остаётся и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе может храниться десятки лет.

Структурная схема такого постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственно вместо перемычки используется описанная выше ячейка. В репрограммируемых ПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы встраивается окошко из кварцевого стекла.

При облучении микросхемы, изолирующие свойства оксида кремния теряются и накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы колеблется в пределах 10 - 30 минут.

Количество циклов записи - стирания микросхем находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения. В качестве примера таких микросхем можно назвать микросхемы 573 серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. Репрограммируемые ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Обозначение репрограммируемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.

Так как корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи - стирания привели к поиску способов стирания информации из ППЗУ электрическим способом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей ячейки в них используются такие же ячейки как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи - стирания для этих микросхем достигает 1000000 раз. Время стирания ячейки памяти в таких микросхемах уменьшается до 10 мс. Схема управления для таких микросхем получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:

1. ЕСППЗУ
2. FLASH -ПЗУ

Электрически стираемые ППЗУ дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи - стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ - хранение данных, которые не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3, 558РР и зарубежные микросхемы серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ обозначаются на схемах как показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.

В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних ножек микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт.

FLASH - ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.

Рисунок 10. Обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах.

При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке 11.

Рисунок 11. Временная диаграмма чтения информации из ПЗУ.

На рисунке 11 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.

Основной характеристикой ПЗУ является его информационная емкость М. Информационная емкость измеряется числом бит хранимой в ПЗУ информации. Часто эту емкость изображают в виде произведения числа ячеек ПЗУ на разрядность каждой ячейки.

Реальные ПЗУ имеют сотни и тысячи ячеек памяти, поэтому их информационные емкости могут выглядеть следующим образом: М = 512 х 4 бит; М = 1024 х 8 бит и т. п.

Емкость ПЗУ с восьмиразрядными ячейками часто измеряют в байтах. Используют и более крупные единицы измерения информационной емкости, такие как килобайт и мегабайт:

1 килобайт = 1К = 1024 байт;

1 мегабайт = 1 М = 1024 К = 1024х1024 байт.

2.3.2. Регистры памяти.

Регистры памяти предназначены для временного хранения многоразрядных двоичных кодов. Такие регистры обычно представляют собой параллельную группу синхронных D триггеров необходимой разрядности. Так, например, четырехразрядный регистр памяти со статическим управлением выполняют по схеме (рис.2.5а). Такой регистр повторяет входное слово, если тактовый сигнал С = 1, и запоминает, фиксирует это слово, если С = 0. Поэтому регистр со статическим управлением иногда называют «прозрачным фиксатором». Схема регистра с динамическим управлением, или как его иногда называют «регистра D-типа", представлена на рис.2.5б.

Рис.2.5.Функциональные схемы и условные обозначения четырехразрядных регистров памяти

При составлении функциональных схем используют специальные условные обозначения для регистров памяти со статическим (рис.2.5в) и с динамическим управлением (рис.2.5г).

Регистры памяти, обеспечивающие обмен параллельными двоичными кодами между микро-ЭВМ и какими-либо внешними устройствами, часто называют портами ввода-вывода. Микросхемы, выполняющие функции таких портов, часто можно перенастраивать с ввода на вывод или наоборот.

2.3.3. Оперативные запоминающие устройства

ОЗУ используются для введения в процессор текущих результатов или данных, полученных и проценте работы. По способу хранения информации ОЗУ подразделяют на статические и динамические.

Элементы памяти статических ЗУ представляют собой бистабильные элементы. Они управляются потенциальными сигналами. Считывание информации осуществляется без ее разрушения.

В динамических ОЗУ в качестве запоминающею элемента (ЗЭ) используется конденсатор, в котором информации хранится в виде заряда. Заряд на запоминающем конденсаторе с течением времени уменьшается за счет токов утечки. Для восстановления заряда требуется периодическая подзарядка (регенерация) накопительного конденсатора, т. е. для управления требуются импульсно-потенциальные сигналы. При считывании информация, как правило, разрушается, но за счет регенерации снова восстанавливается. Динамические ОЗУ выполняются на n-МОП-транзисторах, имеют высокую степень интеграции, эффективны для построения ОЗУ большой емкости.

Статическая память (SRAM).

В ней элементарная ячейка представляется не конденсаторами, а статическими

триггерами на биполярных или МДП - транзисторах. Число состояний триггера

равно двум, что позволяет использовать его для хранения двоичной единицы

информации. Получив заряд один раз, ячейка такой памяти способна хранить

его сколь угодно долго, по крайней мере до тех пор, пока будет питание.

Естественно, что в данном случае исчезают непроизводительные задержки на

обновление информации, что приводит к ускорению работы с такими

микросхемами. Однако SRAM стоит существенно дороже, чем DRAM. В результате,

сфера применения микросхем SRAM ограничена теми областями, для которых

требуется небольшой объем памяти, а значительное быстродействие.

Идеальный вариант - кэш - память, где SRAM применялась и применяется

поныне. Перед пользователем обычно не встаёт проблема выбора кэш - памяти:

в современных материнских платах для Pentium кэш - память обычно просто

распаяна на плате. Более того, кэш - память первого уровня давно

встраивается в центральный процессор, а в последнее время эта участь

постигла и кэш II-го уровня в процессорах линии Pentium II. В ближайшее

время то же самое произойдёт и с процессорами для Socket 7 (стандартный

Pentium - разъем): например, ожидаемый вскоре процессор AMD К6 - 3 будет

содержать кэш второго уровня. В отличии от Pentium II он поддерживает кэш

третьего уровня (на материнской плате).

Однако по большому счёту память современных компьютеров на базе процессора

Pentium собирается из таких же чипов, которые использовались в древнем IBM

PC AT. Между тем, рост быстродействия центральных процессоров в последнее

время привёл к тому, что стало просто невозможно мириться с отсталостью

технологий ОЗУ. Поэтому в настоящее время в этом направлении происходят

бурные революционные изменения.

Динамическая память (DRAM).

В настоящее время широкое распространение получили устройства

динамической памяти базирующиеся на способности сохранять электрический

заряд. Микросхемы динамических ОЗУ отличаются от микросхем статических ОЗУ

большей информационной ёмкостью, что обусловлено меньшим числом компонентов

в одном элементе памяти и, следовательно, более плотным их размещением в

полупроводниковом кристалле.

Глядя на аббревиатуры, относящиеся к оперативной памяти, несложно

заметить, что все они состоят из сочетания DRAM: FPM DRAM, EDO DRAM, SDRAM

и т.д. RAM (Random Access Memory) переводится с английского как

«Запоминающее устройство с произвольным доступом» -

А буква D - сокращение от слова Dynamic, т. е. динамический. Память

называется динамической, так как ячейка стандартного ОЗУ представляет собой

конденсатор, сформированный внутри полупроводникового кристалла, хранящий

электрический заряд. Как известно, конденсаторы могут самопроизвольно

разряжаться, что приводит к потере информации. Чтобы этого не происходило,

информацию нужно постоянно обновлять. Из-за непрерывной природы этого

процесса такая память называется динамической.

В современных персональных компьютерах динамическая память реализуется

на базе специальных цепей проводников, заменивших обычные конденсаторы.

Большое количество таких цепей объединяются в корпусе одного динамического

чипа. Однако подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно

освежаться.

Так работают практически все типы микросхем оперативной памяти - от

устаревших FPM DRAM до перспективных Rambus DRAM. Все остальные отличия

между ними - уже технологические «довески», позволяющие выжать из обычных

микросхем дополнительное быстродействие.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) предназначены для временного хранения множества двоичных слов. Также как и в ПЗУ двоичные слова хранятся здесь в отдельных ячейках памяти, к каждой из которых можно обратиться по адресу.

В отличие от ПЗУ, в ОЗУ обеспечено не только чтение хранящейся в ячейках информации, но и ее оперативное изменение в темпе вычислительного процесса.

Следует иметь в виду, что ОЗУ обеспечивают хранение записанной информации лишь во включенном состоянии. Отключение питания ведет к потере всей хранимой в ОЗУ информации.

Существуют два класса ОЗУ: статические и динамические.

Ячейку памяти статического ОЗУ можно рассматривать как регистр памяти с тремя состояниями выхода, дополненный простейшей логикой управления. Функциональная схема такой ячейки приведена на рис. 2.6.

Рис.2.6. Функциональная схема ячейки памяти статического ОЗУ

Ячейка имеет двунаправленные выводы D3…D0, по которым она либо принимает записываемое слово в режиме записи, либо выдает записанный код на выход режиме чтения. Ячейка запоминает входной код в регистре, если сигналы («») и («») равны соответственно 0 и 1. Если же = 1, а = 0, ячейка выдает на выводы D3…D0 слово, хранящееся в регистре. Как при записи, так и при чтении ячейка должна быть выбрана сигналами = = 0. В противном случае эти процессы будут блокированы.

Введем для рассмотренной ячейки памяти условное обозначение (рис.2.7).

Рис.2.7. Условное обозначение ячейки памяти статического ОЗУ

Объединив множество таких ячеек и дешифратор адреса, легко построить статическое ОЗУ произвольной емкости. Его функциональная схема представлена на рис.2.8. Все ячейки памяти этого ОЗУ одновременно получают сигналы «» (), «» ( или ) и сигнал выбора кристалла . Однако активна, то есть обменивается информацией с двунаправленной шиной D3…D0 только та ячейка, адрес которой распознал дешифратор адреса.

Рис.2.8. Функциональная схема статического ОЗУ

Дата добавления: 2015-07-11