Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать неотразимый комплимент Как противостоять манипуляциям мужчин? Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?

Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника







Запоминающие устройства: назначение, принцип построения и программирования. Типовые интегральные схемы





Цифровыми запоминающими называют устройства, предназначенные для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровом коде. Запоми­нающие устройства (ЗУ) классифицируют по назначению, технологии изготовления, способу адресации, способу хранения информации и т.д. По назначению запоминаю­щие устройства подразделяют на оперативные запомина­ющие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). ОЗУ обеспечивает режим записи, хра­нения и считывания информации в процессе ее обработ­ки. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

По технологии изготовления ЗУ делятся на биполяр­ные (ТТЛ-,ТТЛШ-, ЭСЛ-, И2Л-технологии) и униполяр­ные (n-МОП, КМОП- и другие технологии).

По способу адресации все ЗУ делятся на адресные и безадресные (ассоциативные). В адресных ЗУ обращение к элементам памяти производится в соответствии с их ад­ресом, задаваемым двоичным кодом. Большинство ЗУ являются адресными. В ассоциативных ЗУ считывание информации осуществляется по ее содержанию и не за­висит от физических координат элементов памяти. Ассо­циативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов.

К основным параметрам ЗУ относятся информацион­ная емкость, потребляемая мощность, время хранения информации, быстродействие и др.

Информационная емкость определяется числом ячеек памяти ЗУ и указывает максимальный объем хранимой информации. Если ЗУ рассчитано на хранение п чисел (слов), каждое из которых имеет т разрядов, то информационная емкость N определяется выражением N = п • т. Так, например, если ЗУ предназначено для хранения 16 слов, каждое из которых содержит 4 разряда, то ЗУ имеет структурную организацию 16 х 4 и информационную ем­кость N = 16x4 = 64 бит. ЗУ емкостью 64 бит может быть организовано и как ЗУ 32 х 2 (32 слова по 2 разряда каж­дое). Емкость часто выражают в байтах (1 байт = 8 бит). Емкость ЗУ составляет от нескольких десятков до не­скольких миллионов бит.

Потребляемая мощность - мощность, потребляемая ЗУ в установившемся режиме работы.

Время хранения информации - интервал времени, в течение которого ЗУ сохраняет информацию в заданном режиме.

Быстродействие - промежуток времени, необходимый для записи или считывания информации.

Основой любого ЗУ является матрица памяти (накопи­тель).

Запоминающие устройства с произвольным доступом, т. е. адресные запоминающие устройства, несмотря на большое разнообразие вариантов их реализации, имеют много общего в структуре их построения. Следует отме­тить, что так называемые динамические ОЗУ имеют свою особенность структуры.

Рассмотрим наиболее характерные структуры запоми­нающих устройств, которые подразделяют на ЗУ:

• с одномерной адресацией (или структуры 2D и 2DM, или со словарной организацией накопителей);

• с двумерной адресацией (или структуры 3D, или с матричной организацией накопителей).

Структура ЗУ с одномерной адресацией представляет собой матрицу, число строк которой соответ­ствует числу хранимых слов п, а число столбцов — их раз­рядности т (ЗЭ — запоминающий элемент).

Дешифратор DC служит для выбора того или иного слова, разрешая доступ ко всем запоминающим элемен­там (ЗЭ) выбранной строки. Далее в зависимости от ре­жима работы ЗУ осуществляется либо считывание инфор­мации из ячеек выбранной строки, либо запись информации в ячейки выбранной строки. Рассмотренную структуру называют структурой 2D и основным недостат­ком такой структуры является значительное увеличение количества выходов дешифратора при наращивании объе­ма памяти.

Так, для ЗУ с организацией 4x4 требуется дешифратор с четырьмя выходами, а для ЗУ с организацией 256 х 4 требуется дешифратор, имеющий 256 выходов, что сильно усложняет аппаратную реализацию.

Избежать этого можно, если использовать матрицу, длина строки которой многократно превышает разряд­ность хранимых слов. Это ведет к уменьшению числа строк матрицы, а следовательно, к уменьшению числа вы­ходов дешифратора. Из выбранной строки матрицы затем выбирается ее часть, соответствующая тому или иному слову.

Структура такого ЗУ (структура 2DM) содержит де­шифратор для выбора строки матрицы и мультиплексоры для выбора разрядов слова.

Адресный код для выбора того или иного слова в ЗУ содержит к + I разрядов. Часть их к используется для вы­бора строки матрицы из 2к строк, а другая часть / исполь­зуется для выбора нужного слова в данной строке. Длина строки равна т 21, где т — разрядность хранимых слов.

На выходах m мультиплексоров формируется выходное слово, каждый разряд которого выбирается из отрезка строки длиной 2l.

Так, для ЗУ с организацией 256 х 4 согласно описанно­му принципу можно использовать матрицу размером 32х32 элемента, для доступа к каждому запоминающему элементу которого необходимо восьмиразрядное адресное слово. Пять разрядов этого слова, поступая на дешифратор адреса, выбирают одну из 32 строк матрицы. Три дру­гие разряда адресного слова, поступая на адресные входы четырех мультиплексоров, выбирают из отрезков длиной
21 = 8 разрядов один бит каждого слова.

Описанные структуры целесообразно использовать для одновременной записи или считывания слов большой раз­рядности.

Рассмотрим ЗУ с двумерной адресацией, которая по­зволяет осуществлять побитовую запись или считывание информации. ЗУ с такой структурой осуществляют двухкоординатную выборку запоминающих элементов матри­цы, что позволяет упростить дешифраторы адреса, т. е. уменьшить число выходов дешифратора.

Адресный код разрядностью к + l делится на две час­ти: одна (А: разрядов) служит для определения строки, вто­рая (l разрядов) — для определения столбца. Таким обра­зом, выбирается один бит нужного слова, находящийся в 3Э на пересечении активных выходов обоих дешифрато­ров. При построении ЗУ для многоразрядных слов к де­шифраторам DC1 и DC2 подключаются па­раллельно несколько матриц М, число которых равно разрядности хранимых слов.

Так, для ЗУ с организацией 256 х 4 требуется 4 матрицы, каждая из которых содержит 16 строк и 16 столбцов. Таким образом, дешифраторы имеют гораздо меньшее число вы­ходов, чем в ЗУ с одномерной адресацией.

 

ОЗУ (их обозначают английской аббревиатурой RAM) подразделяются на статические и динамические. В стати­ческих ОЗУ запоминающая ячейка представляет собой триггер на биполярных или полевых транзисторах, что определяет потенциальный характер управляющих сигна­лов и возможность считывания информации без ее разру­шения. Статические ОЗУ выполняются по различным тех­нологиям (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, w-МОП, И2Л) и обладают теми же достоинствами и недостатками, что и элементы, изготовленные по той или иной технологии. Так, для по­лучения высокого быстродействия статические ОЗУ вы­полняются по ЭСЛ-технологии, а И2Л-технология позво­ляет увеличивать функциональную плотность ЗУ в несколько раз по сравнению с ТТЛ-технологией. В по­следнее время интенсивно развиваются статические ОЗУ по КМОП-технологии.

Среди отечественных серий микросхем статических ОЗУ серии К500, К1500 выполнены по ЭЛС-технологии, К132, К1809 - по и-МОП-технологии, К176, К561, К573, К581 — по КМОП-технологии, К555 — по ТТЛ-техноло­гии, К541, К185 — по И2Л-технологии.

Благодаря высокому быстродействию статические ОЗУ широко используются в КЭШ-памяти. КЭШ-память (или буферная память) предназначена для запоминания копий информации, передаваемой между различными устрой­ствами, прежде всего между процессором и основной па­мятью различных вычислительных устройств.

КЭШ-память имеет небольшую информационную ем­кость по сравнению с основной памятью, но более высо­кое быстродействие и особенно эффективна, когда требу­ется многократное использование одних и тех же данных.

Так например, микросхема К1500 представляет собой статическое ОЗУ, выполненное по ЭЛС-технологии, име­ющее организацию 64 х 4 и предназначенное для постро­ения локальных и буферных ОЗУ (КЭШ-память).

В динамических ОЗУ элементом памяти является ем­кость (например, входная емкость полевого транзистора), что требует периодического восстановления (регенерации) записанной информации в процессе ее хранения.

ОЗУ динамического типа позволяют реализовать боль­шой объем памяти, но они сложнее в использовании, так как необходимо наличие специальной схемы управления режимами работы. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы регенерации и синхрониза­ции. Такие ОЗУ по внешним сигналам управления не от­личаются от статических ОЗУ.

В обозначении микросхем после номера серии идут две буквы РУ, относящие микросхемы к виду ОЗУ.

Плотность упаковки элементов памяти динамических ОЗУ в несколько раз превышает плотность упаковки в ста­тических ОЗУ, т. е. они имеют большую информационную емкость. Они в несколько раз дешевле статических ОЗУ.

Динамические ОЗУ имеют ряд особенностей, суще­ственно отличающих их от статических, одной из которых является использование в них последовательной адреса­ции.

К динамическим ОЗУ относятся микросхемы серии К565.

Выводы микросхем имеют следующие назначения: CS — выбор микросхемы, А; — адресные входы, DI, —информационные входы, DO; — информационные выхо­ды, W/R — разрешение записи/считывания, RAS — строб адреса строки, CAS — строб адреса столбца, СЕ — сигнал разрешения.

Микросхема К155РУ2 — это статическое ОЗУ с откры­тым коллекторным выходом — выполнена на основе ТТЛ-структур емкостью 64 бит. Имеет структуру 16 х 4, т. е. мо­жет хранить 16 слов длиной 4 разряда каждое.

Микросхема К537РУ8 — это статическое ОЗУ объемом 2 Кбайта, выполнена на основе структур КМОП, по вхо­ду и выходу совместима с ТТЛ-структурами. Имеет дву­направленную 8-разрядную шину данных, которая ис­пользуется и для записи, и для считывания информации.

Микросхема К565РУ5 — это динамическое ОЗУ на ос­нове и-МОП-структур, по входам и выходам совместима с ТТЛ-структурами, имеет организацию 64Кх 1. Шина ад­реса работает в мультиплексном режиме. Вначале на ней выставляются адреса строк, которые запоминаются во внутреннем регистре по спаду сигнала RAS. Затем выстав­ляются адреса столбцов, которые запоминаются по спаду сигнала CAS.

Микросхемы К537РУ8 и К565РУ5 имеют выходы с тре­мя состояниями.

Все ПЗУ можно разделить на следующие группы:

• программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM);

• с однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние мат­рицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначают как ППЗУ или PROM);

• перепрограммируемые (репрограммируемые), с воз­можностью многократного электрического пере­программирования, с ультрафиолетовым (обознача­ют как РПЗУУФ или EPROM) или электрическим (обозначают как РПЗУЭС или EEPROM, или E2PROM) стиранием информации. Для обеспечения возможности объединения по выхо­ду при наращивании памяти все ПЗУ имеют выходы с тре­мя состояниями или открытые коллекторные выходы.

В запоминающие устройства, программируемые при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывает­ся непосредственно в процессе их изготовления с помо­щью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса.

Такие ПЗУ называются масочными ПЗУ, они могут быть построены на диодах, биполярных или МОП-тран­зисторах.

Если соединительный транзистор в данных схемах вы­полнен полностью (без разрыва), то при подаче на соот­ветствующую строку сигнала активного уровня этот транзистор открывается и на столбце, к которому он подключен, появляется логический 0. Если транзистор не подключен к соответствующему столбцу, то активизация соответствующей строки не приводит к закорачиванию столбца и на нем остается логическая 1.

К масочным ПЗУ относят микросхемы серий 155, 568, 1656, 541, 555, 1656, 1801 и др., выполненные по техноло­гии ТТЛ, ТТЛШ, и-МОП, КМОП. Для обозначения дан­ного вида ПЗУ после номера серии помещают две буквы РЕ. Так, микросхемы К155РЕ21 и К155РЕ22 предназначе­ны для воспроизведения соответственно букв русского (за исключением буквы Ъ) и латинского алфавитов, а также некоторых знаков.

В ППЗУ накопитель часто построен на запоминающих ячейках с плавкими перемычками, изготовленными из них­рома или других тугоплавких материалов. Процесс записи состоит в избирательном пережигании плавких перемычек.

Фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ с плавкими перемычками.

Пропуская импульсы тока между соответствующими строками и столбцами матрицы, такие ЗУ можно програм­мировать, расплавляя те или иные перемычки. На рисунке часть перемычек показаны уже разрушенными.

 

Фрагмент схемы матрицы ППЗУ с многоэмиттерными транзисторами и плавкими перемычками.

Разрушая соответствующие перемычки, осуществляют программирование таких ППЗУ.

ППЗУ выпускаются в составе серий микросхем 155, 541, 565, 1608. В обозначениях таких ЗУ используют буквы РТ.

Так, например, микросхема К541РТ1 выполнена по ТТЛШ-технологии с открытым коллекторным выходом и имеет организацию 256 х 4.

 

В РПЗУ запоминающие ячейки строятся на основе МОП-технологий. Используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя различ­ными диэлектрическими средами или проводящей и ди­электрической средой.

В первом случае диэлектрик под затвором МОП-тран­зистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуоки­си кремния (SiN4 — SiO2). Было обнаружено, что в слож­ной структуре SiN4 — SiO2 при изменении электрического напряжения возникает гистерезис заряда на границе раз­дела двух слоев, что и позволяет создавать запоминающие ячейки.

Такие транзисторы называют МНОП-транзисторами в соответствии с их структурой: металл-нитрид кремния-окисел-полупроводник.

Запись информации в ячейки на МНОП-транзисторах осуществляется подачей относительно высоких напряже­ний (около 20 В), а перед записью осуществляется элект­рическое стирание старой информации (запись 0 во все запоминающие элементы). Таким образом, ЗУ на МНОП-транзисторах — это РПЗУ ЭС или EPROM. Они позволя­ют осуществлять 104 — 106 перезаписей, энергонезависи­мы и могут хранить информацию годами.

В обозначении микросхем с электрическим стиранием после номера серии указывают две буквы PP.

Так, микросхема К1601РР1 выполнена на основе p-МНОП-транзисторов, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеет выходы с тремя состояниями и организацию IK x 4. Время хранения информации 500 ча­сов.

Во втором случае основой запоминающей ячейки яв­ляется лавинно-инжекционный МОП-транзистор с пла­вающим затвором (ЛИЗМОП-транзисторы).

В лавинно-инжекционном транзисторе с плавающим затвором при достаточно большом напряжении на стоке происходит обратимый лавинный пробой диэлектрика, и в область плавающего затвора инжектируются носители заряда. Поскольку плавающий затвор окружен диэлектри­ком, то ток утечки мал и хранение информации обеспе­чивается в течение длительного промежутка времени (де­сятки лет). При подаче напряжения на основной затвор происходит рассасывание заряда за счет туннельного эф­фекта, т. е. стирание информации.

С использованием ЛИЗМОП-транзисторов строятся РПЗУ как с ультрафиолетовым (EPROM), так и электри­ческим (E2PROM) стиранием информации.

В ЗУ с ультрафиолетовым стиранием в корпусе микро­схемы имеется специальное прозрачное окошко для облу­чения кристалла, причем информация стирается во всем кристалле.

При электрическом стирании информацию можно сти­рать не со всего кристалла, а выборочно.

Кроме того, длительность электрического стирания значительно меньше, чем ультрафиолетового, а число цик­лов перезаписи значительно больше.

Поэтому ЗУ с электрическим стиранием информации вытесняют ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

В обозначении микросхем с ультрафиолетовым стира­нием после трех цифр серии указывают две буквы РФ.

РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации се­рии 573 выполнены на основе ЛИЗМОП-транзисторов, по входу и по выходу совместимы с ТТЛ-структурами.

Промышленность выпускает большое количество ти­пов микросхем ПЗУ. Укажем в качестве примера две мик­росхемы ПЗУ. На схемах использованы сле­дующие обозначения: Aj— адресные входы; Dj — информационные выходы; CS — выбор микросхемы; СЕ — разрешение выхода.

Микросхема К573РФ5 — это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУУФ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее структуру 2К х 8. По входу и выходу эта микросхема со­вместима с ТТЛ-структурами. Время хранения информа­ции — 50 тыс. часов.

Микросхема К556РТ5 — это однократно программиру­емая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-структур, по вхо­ду и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 512 бит х 8.

Характеристики ПЗУ:

 

 








Date: 2015-05-09; view: 1653; Нарушение авторских прав

mydocx.ru - 2015-2017 year. (0.014 sec.) - Пожаловаться на публикацию