Типы запоминающих устройств. Основные параметры

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА МПС.

Для хранения небольших массивов кодовых слов могут использоваться регистры. Но при необходимости хранить десятки слов применение регистров приводит к неоправданно большим аппаратурным затратам. Аля хранения больших массивов слов строят запоминающие устройства (ЗУ) с использованием специальных микросхем, в каждой из которых может храниться информация объемом в тысячи бит.

По выполняемым функциям различают следующие типы запоминающих устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ).

Оперативное ЗУ предназначено для использования в условиях, когда необходимо выбирать и обновлять хранимую информацию в высоком темпе работы процессора цифрового устройства. Вследствие этого в ОЗУ предусматривается три режима работы: режим хранения при отсутствии - обращения к ЗУ, режим чтения хранимых слов и режим записи новых слов. При этом в режимах чтения и записи ОЗУ должно функционировать с высоким быстродействием (обычно время чтения или записи слова в ОЗУ составляет микросекунды). В микропроцессорных устройствах ОЗУ используются для хранения данных (исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки данных).

Постоянное ЗУ предназначено для хранения некоторой однажды записанной в него информации, не нарушаемой и при отключении источников питания. В ПЗУ предусматриваются два режима работы: режим хранения и режим чтения с высоким быстродействием. Режим записи не предусматривается. Используются ПЗУ для хранения программ, по которым микропроцессорные устройства функционируют длительное время, многократно выполняя действия по одному и тому же алгоритму при различных исходных данных.

Перепрограммируемое ПЗУ в процессе функционирования микропроцессорного устройства используется как ПЗУ. Оно отличается от ПЗУ тем, что допускает обновление однажды занесенной информации, т.е. в нём предусматривается режим записи. Однако в отличие от ОЗУ запись информации требует отключения ППЗУ от микропроцессорного устройства, производится с использованием специальных предназначенных для записи устройств (программаторов) и занимает длительное время, достигающее десятков минут. Перепрограммируемые ПЗУ дороже ПЗУ, и их применяют в процессе отладки программы, после чего их можно заменить более дешевыми П3У.

Запоминающее устройство содержит некоторое число N ячеек, в каждой из которых может хранится слово с определенным числом разрядов n. Ячейки последовательно нумеруются двоичными числами. Номер ячейки называется адресом. Если для представления адресов используются комбинации n—разрядного двоичного кода, то число ячеек в ЗУ может составить N = 2ⁿ.

Количество информации, которое может храниться в ЗУ, определяет его ёмкость. Емкость можно выражать числом ячеек N с указанием разрядности n хранимых в них слов в форме N * n либо ее можно определять произведением N и n: М = N*n бит. Часто разрядность ячеек выбирают кратным байту (1 байт равен 8 битам). Тогда и емкость удобно представлять в байтах. Большие значения емкости часто выражают в единицах К = 2¹⁰»1024. Например, М = 64 Кбайт означает емкость, равную М = 64 х 1024 байт = 64 х 1024 х 8 бит.

Быстродействие ЗУ характеризуется двумя параметрами: ввременем выборки t_в, представляющим собой интервал времени между моментом подачи сигнала выборки и появлением считанных данных на выходе, и циклом записи t_з, определяемым минимально допустимым временем между моментом подачи сигнала выборки при записи и моментом, когда допустимо следующее обращение к памяти.

Запоминающие устройства строятся из набора однотипных микросхем 3У с определенным их соединением. Каждая микросхема ЗУ, кроме времени обращения и емкости, характеризуется потребляемой мощностью, набором питающих напряжений, типом корпуса (числом выводов). Микросхемы ППЗУ дополнительно характеризуются временем хранения записанной в них информации (по истечении которого хранящаяся в ячейках информация может самопроизвольно изменится), допустимым количеством циклов перезаписи (после чего микросхема считается негодной для использования).

Оперативные ЗУ. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) для записи — чтения информации в зависимости от структуры элементов памяти подразделяются на статические и динамические.

Элементы памяти в статических ОЗУ строятся на основе триггерных цепей. Хранение информации в триггере требует определенной мощности от источника питания, т.е. такое ЗУ является энергозависимым. Типовая реализация триггерного элемента памяти в КМОП-БИС ОЗУ (эти виды технологии в наибольшей степени прогрессирует в настоящее время) оставляет шеститранзисторную схему. Поэтому статистические ОЗУ проигрывают в 4—8 раз по информационной емкости на кристалле динамическим ОЗУ, в которых запоминающий элемент выполняется однотранзисторным.

Информация в таком элементе хранится в виде заряда на запоминающем конденсаторе, обкладками которого являются области стока МОП—транзистора и подложки. Запись и считывание информации производится путем открывания транзистора по затвору и подключения тем самым запоминающей емкости к схеме усилителя—регенератора. Последний, по существу, является статическим триггерным элементом, который в зависимости от предварительной его подготовки или принимает (считывает) информацию из емкостной запоминающей ячейки, устанавливаясь при этом в состояние 0 и 1, или. наоборот, в режиме записи соответствующим образом заряжает ячейку, будучи предварительно установленным в 0 или в 1.

В режиме чтения триггер усилителя—регенератора вначале специальным управляющим сигналом устанавливается в неустойчивое равновесное состояние, из которого при подключении к нему запоминающей емкости он переключается в 0 или 1. При этом вначале он потребляет часть заряда 0, а затем при установке в устойчивое состояние возвращает его ячейке, осуществляя таким образом регенерацию ее состояния.

В режиме хранения информации необходимо периодически производить регенерацию для компенсации естественных утечек заряда. Максимальный период цикла регенерации для каждой из ячеек обычно составляет 1—2 мс. В принципе для полной регенерации можно было бы с таким периодом считывать содержимое каждой из ячеек ОЗУ. Однако это заняло бы слишком много времени. Поэтому архитектура БИС динамических ЗУ строится таким образом, что операция регенерации является групповой, т.е. при каждом обращении ОЗУ регенерируется содержимое не одной ячейки, а целой строки. Поэтому, пример, для регенерации БИС типа К565РУ5 емкостью 64 кбит необходимо обращение к каждой из 128 строк не реже, чем раз в 2 мс. Если учесть, что регенерация одной строки занимает около 0,5 мкс, то общие потери времени на регенерацию составят примерно 3,2%.

Регенерация может производится процессором программно, например с помощью специальных прерываний. Но чаше она реализуется аппаратно с помощью специального контроллера регенерации. Возможно также выполнение этой операции с помощью контроллера ПДП.

Типичная структура микросхемы ОЗУ представляет собой матрицу, составленную из элементов памяти (ЭП), расположенных вдоль строк и столбцов. Элемент памяти может хранить 1 бит информации (лог. 0 либо лог. 1). Кроме того он снабжен управляющими цепями для установки цента в любой из трех режимов: режим хранения, в котором он отключается от входа и выхода микросхемы: режим чтения, в котором содержащаяся в ЭП информация выдается на выход микросхемы: режим записи в котором в ЭП записывается новая поступающая со входа микросхемы информация.

Каждому ЭП приписан номер, называемый адресом элемента. Для поиска требуемого ЭП указывается строка и столбец, соответствующие положению ЭП в накопителе. Адрес ЭП в виде двоичного числа принимается по шине адреса в регистр адреса. Число разрядов адреса связано с емкостью накопителя. Число строк и столбцов накопителя выбираются равными целой степени двух.

Разряды регистра адреса делятся на две группы: одна группа в n₁ разрядов определяет двоичный номер строки, в которой в накопителе расположен ЭП, другая группа в n₂ разрядов определяет двоичный номер столбца, в котором расположен выбираемый ЭП. Каждая группа разрядов адреса подается на соответствующий дешифратор: дешифратор строк и дешифратор столбцов. При этом каждый из дешифраторов создает на одной из своих выходных цепей уровень лог. 1 (на остальных выходах дешифратора устанавливается уровень лог. 0): выбранный ЭП оказывается под воздействием уровня лог. 1 одновременно по цепям строки и столбца. При чтении содержимое ЭП выдается на усилитель чтения и с него на выходной триггер и выход микросхемы. Режим записи устанавливается подачей сигнала на вход разрешения записи (РЗ). При уровне лог. 0 на входе РЗ открывается усилитель записи и бит информации со входа данных поступает в выбранный ЭП и запоминается в нем.

Указанные процессы происходят в том случае, если на входе выбора кристалла (ВК) действует активный уровень лог 0. При уровне лог. 1 на этом входе на всех выходах дешифратора устанавливается уровень лог. 0 и ЗУ оказывается в режиме хранения.

На рис. ……. показано условное графическое обозначение микросхемы ОЗУ с организацией 1024х8.

Постоянные ЗУ. ПЗУ применяются для хранения управляющих программ, различных таблиц (в том числе знакогенераторов) и т. д. Существует несколько их разновидностей, которые различаются принципов занесения информации, а так же технологией изготовления.

Масочно-программируемые ПЗУ. Эти БИС запускаются по различным технологиям (ТТЛ, МОГТ, КМОП). Информация заносится в них в процессе изготовления, обычно на финишном его участке и не может быть впоследствии изменена. В серийном производстве эти БИС относительно дешевы. Однако каждая "прошивка", т.е. заносимый в ПЗУ массив информации, требует соответствующей дорогостоящей технологической подготовки производства — индивидуальной маски (фотошаблона). Поэтому данный тип ПЗУ рентабельно применять в уже отлаженных изделиях, выпускаемых большими партиями. Примером является ПЗУ знакогенератора К555РЕ4. Выпускаются также ПЗУ типа КР568РЕЗ емкостью 16 Кбайт, в которые занесены редактор текстов, ассемблер и монитор МП — системы на основе процессора КР580ВМ80.

Программируемые ПЗУ (ППЗУ) с плавкими перемычками поступают к потребителю в первоначальном незапрограммированном состоянии, соответствующем О или 1 (в зависимости от типа БИС) во всех элементах памяти. В режиме программирования можно записать в ППЗУ информацию путем пережигания перемычек электрическим током по специальной программе. В дальнейшем изменение информации, занесенной в ППЗУ, возможно путем повторного программирования только в одном направлении — путем пережигания перемычек, оставшихся после предыдущего программирования.

Выпускается широкая гамма подобных микросхем серии КР556 на основе схем ТТЛШ. Их емкость достигает в настоящее время 2 кбайт (ПТ16, РТ18).

ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации в настоящее время наиболее широко используются в МП — системах. В этих БИС каждый бит хранимой информации отображается состоянием соответствующего МОП — транзистора с плавающим затвором. Затворы транзисторов при программировании заряжаются лавинной инжекцией, т.е. обратимым пробоем окружающего затвор изолирующего слоя под действием электрического импульса напряжением 18—26 В. Заряд в таких конденсаторах за счет высокого качества изолирующего слоя может сохраняться очень долго. Так, например, для отечественных ППЗУ серии К573 гарантируется сохранение информации не менее 15—25 тыс. ч. во включенном состоянии и до 1000 тыс.ч. (К573РФ1), т.е. более 10 лет, - в выключенном.

а) б)

Рис. …..Условное обозначение микросхем ОЗУ (а) и ПЗУ (б).

Программирование ПЗУ обычно производят вне МП—системы, в которой предполагается их использовать, с помощью специальных устройств — программаторов. Последние часто выполняются в виде перифирийных устройств ЭВМ, в которых производится подготовка, а также и хранение на внешних носителях записываемой в ПЗУ информации. Незапрограммированная микросхема ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием имеет на выходах по всем адресам уровень логической единицы. Для записи в требуемые разряды логического нуля при установленном адресе на соответствующие выводы данных подается уровень 0, а на остальные — 1. Можно производить коррекцию ранее записанной информации, изменяя состояние 1 в любых разрядах на нулевое (но не наоборот).

Для полного программирования БИС типа К573РФ2 емкостью 2 кбайт требуется в стандартном режиме время порядка 100с.

Для стирания информации в течение 30 — 60 мин облучают кристалл БИС сквозь прозрачное окно в корпусе ультрафиолетовым излучением люминесцентной лампы, которое увеличивает ток утечки в изолирующем слое, приводя к рассасыванию хранимого на плавающих затворах заряда.

Число циклов перезаписи обычно лежит в пределах 10—100 (для различных типов), так как при программировании частично изменяется структура изолирующего слоя, что постепенно ухудшает его диэлектрические свойства.

ППЗУ с электрическим стиранием позволяет производить как запись, так и стирание (или перезапись) информации с помощью электрических сигналов. Для построения таких ППЗУ используются различные технологии и структуры элементов памяти. В частности, применяются структуры с лавинной инжекцией заряда, аналогичные тем, на которых строятся ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием, но с дополнительными управляющими затворами, размещаемыми над плавающими. Подача напряжения на управляющий затвор приводит к рассасыванию заряда за счет туннелирования носителей сквозь изолирующий слой. По этой технологии изготавливаются схемы К573РР2, КМ1609.

Достоинством ППЗУ с электрическим стиранием является не только удобство и высокая скорость перезаписи информации, но и значительное допустимое число перезаписи. Обычно гарантируется не менее 10 циклов.

Структура ПЗУ аналогична ОЗУ, т.е. имеется накопитель и дешифраторы адреса.

Дата добавления: 2014-01-15