RAM-память

Аббревиатурой RAM обозначаются оперативные запоминающие устрой­ства на базе полупроводниковых технологий. Они имеют определенное ко­личество ячеек памяти. Каждая ячейка памяти имеет установленный объем памяти. Она может принимать информацию определенной длины. Каждая ячейка памяти имеет индивидуальный адрес. По этим адресам осуществля­ется доступ к ячейкам памяти. То есть RAM является памятью с произволь­ной выборкой.

Обозначение RAM является сокращением от Random Access Memory, англ. — память с произвольной выборкой.

Ячейки памяти выбираются по своим адресам. В ячейках хранится за­писанная информация. Для вывода данных ячейки также выбираются по своему адресу. Считывание данных не стирает содержание ячейки. Если информация больше не нужна, она может быть удалена, а в ячейку памяти записана новая информация.

ОЗУ выпускаются исключительно в виде интегральных микросхем. Раз­личают статические RAM и динамические ОЗУ. В статическом ОЗУ ячейки состоят из триггеров. Каждый бит записывается в один из триггеров. В дина­мическом ОЗУ для хранения информации используются внутренние емко­сти. Каждый бит записывается в маленький конденсатор. Так как имеют место токи утечки, то возникает потеря заряда, поэтому емкости периоди­чески надо подвергать процессу регенерации (восстановление исходных уровней сигнала).

Статические и динамические ОЗУ являются энергозависимыми. При от­ключении питания информация теряется.

В целях сохранения информации ставят автономные батареи. Энергоне­зависимые RAM находятся в стадии разработки. Их ждет большое будущее.

Статические ОЗУ или RAM производятся на базе различных техноло­гий. Схемы принадлежат к различным семействам. Существует ОЗУ в ТТЛ-исполнении, в ЭСЛ-, в TV-МОП- и в А-МОП-исполнении. Динамические ОЗУ строятся на различных МОП-элементах.

12.3.1. Статические ОЗУ (SRAM)

12.3.1.1. Элемент памяти RAM в ТТЛ-исполнении

Статические ОЗУ могут быть построены на биполярных транзисторах. Ис­пользуется известная ТТЛ-технология (см. гл. 6 «Семейства схем»). Осно­вой ячейки является триггер на двух мультиэмиттерных транзисторах со­гласно рис. 12.17. Триггер управляется Х-адресной шиной, 7-адресной ши­ной и двумя разрядными линиями записи—считывания. Такой элемент памяти может запомнить 1 бит. Элемент содержит значение 1, если Т_х от­крыт, а Т₂ заперт. И значение 0, если Т₂ открыт, а Т_х заперт.

Активация ячейки памяти

Если на обоих адресных шинах X и Г действует 0-сигнал (О В, заземление), то ячейка памяти не активирована. Ток эмиттера открытого транзистора течет на землю. По разрядным линиям SL_V SL₂ ток не протекает.

Если только на одной адресной шине действует 1-сигнал, то элемент памяти остается неактивным, так как эмиттерный ток открытого транзис­-

тора может протекать через другую адресную шину. Только когда по обеим адресным шинам проходит 1-сигнал, то есть +5 В, элемент памяти активи­руется, и эмиттерный ток открытых транзисторов течет по соответствую­щим линиям записи—чтения.

Чтение

После активации элемента памяти по iSX-линиям течет ток открытого тран­зистора. На рис. 12.17 транзистор Т₂ открыт. Ток эмиттера протекает через

SL₂ и на выходе Q через усилитель выдает 1-сигнал. Элемент памяти сохра­нил значение 0. Если после активации ток протекает по линии SL_V то эле­мент памяти сохранил значение 1.

Запись

Для записи 1 в элемент, содержащий 0, необходимо подать 1-сигнал или +5 В на SL₂ и 0-сигнал, или 0 В на SL_V При хранении 0 проводит транзистор Т₂. Он запирается после подачи на его третий эмиттер, подключенный к SL_V +5 В. Транзистор Т_х открывается, и его эмиттерный ток может течь через SL_V После завершения активации элемент памяти сохраняет это со­стояние.

Для записи 0 в элемент, содержащий 1, необходимо подать 1-сигнал или +5 В на SL_l и 0-сигнал, или 0 В на SL₂. Триггер переключится по алгоритму, описанному выше, и сохранит значение 0.

Элементы памяти на ТТЛ-элементах работают очень быстро. Но зато они отличаются высоким энергопотреблением.

72.3.1.2. Элементы памяти RAM в Ы-МОП-исполнении

Элементы памяти RAM в TV-МОП-исполнении имеют по сравнению с ТТЛ-элементами существенные преимущества. Они потребляют меньше энер­гии и могут производиться с более высокой степенью интеграции. На квад­ратном миллиметре чипа может размещаться больше МОП-элементов па­мяти. Однако МОП-схемы имеют большее время переключения, т. е. они медленнее ТТЛ-схем (см. гл. 6 «Семейства схем»).

Структура типичного RAM-элемента представлена на рис. 12.18. Тран­зисторы Т_{ и Т₂ собраны по схеме триггера. Транзисторы Т₃ и Т₄ работают вместо нагрузочных сопротивлений. Если Т_г заперт, а Т₂ открыт, то эле­мент памяти сохранил значение 1. При 0 Т_у открыт, а Т₂ заперт.

Активация элемента памяти

Элемент активизируется, если на адресные шины Хи Глодается 1-сигнал. Транзисторы Г₅, Г₆, Т₇ и Г₈ открываются и соединяют выходы триггера Q и

Q с линиями чтения—записи SL_X и SL₂.

Чтение

После активации ячейки памяти из нее можно считывать данные. Если SL_X проводит 1-сигнал, то элемент сохраняет единицу. Если SL₂ проводит 1-сигнал, то элемент сохраняет 0.

Запись

В элемент памяти, содержащий 0, требуется записать 1. При О Т_х открыт, а Т₂ заперт. Если на SL₂ действует 0-сигнал, то Т_х запирается, а Т₂ открывает­ся. Триггер переключается в 1-состояние. Это состояние сохраняется после завершения активации.

72.3.7.3. Структура RAM с двухкоординатной адресацией

RAM-элементы памяти собираются в RAM-матрицы памяти. Матрица на рис. 12.19 имеет объем памяти 16 бит. Каждый элемент доступен индивиду­ально. Говорят, что каждый бит может быть адресован. Если бы мы хотели узнать, например, содержимое памяти запоминающего элемента 8, то на адресных шинах Х₃ и Y₄ должен быть 1-сигнал. На разрядных линиях SL_X и

SL₂ появляются выходные сигналы Q и Q.

12.3.2. Динамические ОЗУ (DRAM)

12.3.2.1. Элемент памяти динамического ОЗУ

Типичный элемент памяти динамического ОЗУ состоит из трех самозапи­рающихся MOS-FET-транзисторов согласно рис. 12.20. Информация со­храняется в емкости С. Если С заряжен, то элемент памяти содержит 1. Если С не заряжен, то элемент памяти содержит 0.

Запись

l

l

X

Рис. 12.20. Типичный элемент памяти динамической RAM.

Запоминающий элемент активизируется 1-сигналом на шине чтения X (1-сигнал = +5 В).

Вследствие этого транзистор Т_х открывается (низкоомен между истоком и стоком). При подаче на информационный вход 1-сигнала емкость С заряжается. Значение 1 сохранено. При заряженном конденсато­ре С транзистор Т₂ всегда низкоомен (открыт). Если на адресной шине X действует 0-сигнал, то элемент памяти больше не активизирован. Транзис­тор Т_х запирается и предотвращает утечку заряда С. Для записи 0 следует активизировать элемент памяти (1-сигнал на адресной шине X). При этом Т_х отпирается. Если 0-сигнал (0 = О В, земля) прикладывается на линию входных данных А, то емкость С может разрядиться через транзистор T_v Значение 0 сохранено. При разряженном конденсаторе С транзистор Т₂ всегда заперт.

Чтение

Для считывания данных на шину вывода В прикладывается 1-сигнал (+ 5 В). Элемент памяти активизируется через шину чтения L. На L также прикла­дывается 1. При этом транзистор Т₃ открывается.

Если записана 1, то транзистор Т_ъ открыт и ток через шину В через Г₃ и Т₂ течет на землю. Это признак записанной 1.

Если записан 0, то С разряжен, а Т₂ заперт. Через шину В ток течь не может. Это признак записанного 0.

Во время чтения содержание элемента памяти не меняется.

Регенерация

Емкость С очень мала. Она составляет в зависимости от степени интегра­ции от 0,1 пФ до 1 пФ. Соответственно мал и сохраненный заряд. Очень маленький ток утечки быстро понижает заряд. Поэтому заряд должен быть через короткие промежутки времени снова восстановлен. Обычно подза­рядка происходит каждые 2 мс.

Цикл регенерации начинается с чтения содержимого элемента памяти. Если оно равно 1, то Т_х открывается и С заряжается. Если содержание памяти 0, то зарядка не происходит.

Для регенерации необходим особенный задающий генератор синхрони­зирующих импульсов и схема управления. Оба этих элемента включены в состав микросхем.

12.3.2.2. Особенности динамических ОЗУ

Динамические ОЗУ работают очень надежно. Это удивительно, если учесть, что хранимая информация должна быть примерно каждые 2 мс обновлена. Можно было бы предположить, что какой-нибудь бит пропадает. Однако этого не происходит.

Преимуществом динамических ОЗУ является большой объем памяти чипа или микросхемы. МОП-техника позволяет достичь высокой степени интеграции. Запоминающие элементы могут быть очень малы. Предло­женное в настоящее время самое большое динамическое ОЗУ имеет объем памяти 4 Мбит (1 Мбит = 1048576 бит, приблизительно 1 млн бит). 4 Мбит могут сохраняться в одной-единственной микросхеме. В разработке нахо­дится схема с 16 Мбит.

Недостатком является относительно большое время переключения. Так называемое время доступа лежит в интервале между 100 не и 300 не. Под временем доступа понимают максимальное время, которое проходит от ад­ресации элемента памяти до возможности работать с его данными.

Во время регенерации динамическое ОЗУ должно быть блокировано от записи и чтения, иначе будут возникать ошибки.

С ростом температуры кристалла токи утечки будут расти. Емкости бу­дут разряжаться быстрее. Рекомендованная производителем частота реге­нерации рассчитана на рабочую температуру 70 °С. Если эта температура будет превышена, то данные могут быть потеряны.

12.3.3. Организация элементов памяти и ее параметры

12.3.3.1. Организация элементов памяти

Статические и динамические ОЗУ предлагаются с различными объемами памяти и различными структурами.

Адресуемая ячейка памяти может состоять из одного элемента или из нескольких элементов. Если она состоит только из одного элемента, то такая память называется памятью с побитовой организацией. Каждый за­поминающий элемент, то есть каждый бит, имеет собственный адрес и явля­ется, таким образом, адресуемым. Конструктивная схема такой памяти пока­зана на рис. 12.21. Обозначение 16 х 1 значит: совокупная емкость 16 бит, емкость ячейки памяти 1 бит.

Рис. 12.21. Структура памяти 16 х 1.

Если ячейка памяти состоит из нескольких запоминающих элементов, то память является пословно организованной. На рис. 12.22 показана конст­руктивная схема 32 х 8-битово элемент является адресуемым. Все 8 бит ячей­ки памяти всегда записываются и считываются одновременно.

Для 256 х 1-памяти необходимы 16 Х-адресных шин и 16 7-адресных шин (рис. 12.23). Выводить эти шины наружу в порты микросхемы неудоб­но. Эта схема имела бы очень много выводов. Поэтому применяются де­шифраторы (см. разд. 11.2). Для выбора 16 элементов памяти нужны 4 ад­ресных линии. Адресные линии выводятся на ножки микросхемы.

Рис. 12.24. Структура памяти 16 Кбит х 1 с дешифратором и демультиплексором.

демультиплексор (см. разд. 11.1). На входы от А_х до А₇ сначала подается Х-адрес, затем F-адрес. Переключение происходит сигналом управления S. Мультиплексирование адресов позволяет применять небольшие корпуса ИС.

12.3.3.2. Параметры памяти

Для выбора памяти большое значение имеют ее параметры. В основном это емкость и структура, производительность и энергопотребление. Далее так­же важны электрические условия эксплуатации и допустимый рабочий ди­апазон. Рассмотрим по очереди самые важные параметры памяти.

Емкость

Емкость показывает количество элементов памяти, содержащихся в матри­це, т. е. число бит, которые могут быть сохранены.

Структура памяти

Характеризует объем памяти одной ячейки и способ адресации.

Время доступа

Время доступа является временем, которое проходит от момента адресации элемента памяти (ЭП) до возможности располагать информацией на выхо­де данных.

Рис. 12.23Структура памяти 256 х 1 с дешифратором.

Рис. 12.23 Структура памяти 256х1 с дешифратором

Как организованы адресные шины в 16 Кбит х 1-битовой памяти? Дол­жны быть адресованы 16 384 бит. Кроме этого, требуются 128 Х-адресных линии и 128 Y-адресных линии. Для выбора 128 адресных линий необходи­мо иметь 7 управляющих выводов (рис. 12.24). Всего на выводы микросхе­мы нужно выводить 14 адресных линий. Так как требуются еще информа­ционные выводы для ввода—вывода данных и для команд управления, то получается очень большое число выводов. Чтобы этого избежать, ставят

Длительность цикла обработки

Под длительностью цикла обработки понимают минимальное время между двумя следующими друг за другом процессами чтения—записи.

Энергопотребление

Указывается общее энергопотребление всей микросхемы. Оно может варьиро­ваться в зависимости от режима работы.

Электрические условия эксплуатации

Здесь указываются необходимые напряжения питания, необходимые уров­ни сигнала и диапазоны допустимых значений (см. гл. 6 «Семейства схем»), а также предельные значения других электрических величин.

Диапазон рабочих температур

Диапазон рабочих температур — диапазон температур, в котором память стабильно работает в рамках предписанных электрических условий эксплу­атации.

Дата добавления: 2014-01-07