Лекция 09

Микросхемы памяти. ОЗУ и ПЗУ

Цифровые запоминающие устройства

Основные понятия и виды запоминающих устройств. Цифровые запоминаю­щие устройства предназначены для записи, хранения и выдачи информации, пред­ставленной в виде цифрового кода. Основными характеристиками запоминающих устройств являются: их информационная емкость, быстродействие и время хране­ния информации.

Классификацию цифровых запоминающих устройств можно выполнять по ряду признаков:

• функциональному назначению;

• способу хранения информации;

• технологическому исполнению;

• способу обращения к массиву элементов памяти.

В основу технической классификации запоминающих устройств (ЗУ) положе­но их функциональное назначение. По функциональному назначению все виды ЗУ можно разделить на следующие группы:

• оперативные запоминающие устройства (ОЗУ, или RAM) — устройства памяти цифровой информации, объединенные со схемами управления, обес­печивающими режимы записи, хранения и считывания цифровой (двоичной) информации в процессе ее обработки; ' постоянные запоминающие устройства (ПЗУ, или ROM) — матрицы пас­сивных элементов памяти со схемами управления, предназначенные для воспроизведения неизменной информации, заносимой в матрицу при из­готовлении (в режиме хранения информации энергия не потребляется);

• программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗ У, или FROM) — постоянные запоминающие устройства с возможностью одно­кратного электрического программирования; они отличаются от ПЗУ тем, что позволяют в процессе применения микросхемы однократно изменить состояние запоминающей матрицы электрическим путем по заданной про­грамме;

• репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ, или EEPROM) — постоянные запоминающие устройства с возможностью мно­гократного электрического перепрограммирования; они отличаются от ППЗУ тем, что допускают многократную электрическую запись информа­ции, но число циклов записи и стирания ограничено (до 10³ циклов); репрограммируемые постоянные запоминающие устройства с ультрафиоле­товым стиранием и электрической записью информации (РПЗУ УФ, или EPROM), они отличаются от РПЗУ только способом стирания информации с помощью ультрафиолетового освещения, для чего в корпусе микросхемы имеется специальное окно;

ассоциативные запоминающие устройства (АЗУ, или САМ) — «безадрес­ные» ЗУ, в которых поиск и выборка информации осуществляется по содер­жанию произвольного количества разрядов хранящихся в АЗУ чисел, не­зависимо от физических координат ячеек памяти.

Перечисленный ряд запоминающих устройств не является исчерпывающим. Эта область электроники в настоящее время бурно развивается и появляются новые разновидности ЗУ с иными принципами функционирования. Например, имеются программируемые логические матрицы (ПЛМ), отличающиеся от ППЗУ ограниченным набором входных сигналов. Также имеются РПЗУ, в которых допускается избирательное стирание информации в любом отдельном элементе памяти (EAROM).

По способу хранения информации ЗУ делятся на статические и динамические. Элементы памяти статических ЗУ представляют собой бистабильные ячейки, что определяет потенциальный характер управляющих сигналов и возможность чте­ния информации без ее разрушения.

В динамических ЗУ для хранения информации используются инерционные свой­ства реактивных элементов (например, конденсаторов), что требует периодического восстановления (регенерации) состояния элементов памяти в процессе хранения информации. В большинстве динамических ЗУ регенерация совмещается с обра­щением к элементам памяти. Для обеспечения синхронизации работы динамиче­ских ЗУ используются потенциально-импульсные сигналы управления.

Некоторые типы динамических ЗУ имеют встроенную систему регенерации и синхронизации. По внешним сигналам управления они не отличаются от пол­ностью статических ЗУ и поэтому их часто называют квазистатическими ЗУ.

Статические ЗУ бывают синхронными и асинхронными. Синхронные статические ЗУ имеют статический накопитель (матрицу элементов памяти) и динамические цепи управления, требующие синхронизации, аналогично динами­ческим ЗУ. По технологии выполнения ЗУ можно разделить на следующие виды:

• полупроводниковые ЗУ на основе биполярных структур, использующие схемотехнику ТТЛ, ЭСЛ и др.;

• полупроводниковые ЗУ на основе полевых транзисторов с изолированным затвором: p-моп, n-МОП и КМОП;

• полупроводниковые ЗУ на основе приборов с зарядовой связью;

• магнитные ЗУ на основе цилиндрических магнитных доменов.

Следует отметить, что независимо от технологии изготовления ЗУ уровни их входных и выходных сигналов обычно приводятся к уровням стандартных серий элементов ТТЛ, ЭСЛ или КМОП. Для использования в РПЗУ разработаны специ­альные структуры:

• с лавинной инжекцией заряда и плавающим затвором (ЛИПЗ МОП), кото­рые применяются в РПЗУ Уф;

• со структурой металл — нитрид кремния — окисел кремния — полупровод­ник (МНОП), которые используются в РПЗУ с электрическим стиранием, в том числе и с избирательным стиранием.

По способу обращения к массиву памяти все ЗУ делятся на адресные и без­адресные (ассоциативные). Большинство видов ЗУ относятся к адресным ЗУ, в которых обращение к элементам памяти производится по их физическим ко­ординатам, задаваемым внешним двоичным кодом-адресом. Адресные ЗУ бывают следующих типов:

• с произвольным обращением, которые допускают любой порядок следова­ния адресов;

• с последовательным обращением, в которых выборка элементов памяти воз­можна только в порядке возрастания или убывания адресов (обычно такие ЗУ выполняются на регистрах сдвига).

Ассоциативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов: поиск и выборка информации в таких ЗУ осуществляется по ее содержанию и не зависит от физиче­ских координат элементов памяти.

Основные электрические параметры ЗУ. Все параметры ЗУ можно разделить на статические и динамические. Статические параметры ЗУ характеризуют его работу в установившемся режиме. Система статических параметров ЗУ представ­ляет собой совокупность некоторых контрольных точек его вольт-амперных характеристик.

Динамические параметры ЗУ определяются происходящими в нем временными процессами. Систему динамических параметров ЗУ составляет совокупность вре­менных переходов входных и выходных сигналов, соответствующих границам правильного функционирования ЗУ.

Кроме этого используются также специальные классификационные параметры ЗУ, по которым выполняют их разделение по группам в соответствующих сериях ИМС ЗУ. В качестве классификационных параметров могут использовать­ся также некоторые статические и динамические параметры. В табл. 17.1 приведе­ны основные классификационные параметры ЗУ.

Статические параметры ЗУ можно разделить на общие, входные и выходные. В табл. 17.2 приведены некоторые статические параметры ЗУ. К динамическим па­раметрам относятся основные временные характеристики ЗУ, такие как время вы­бора микросхемы tcs, время выбора адреса 1д, время выборки сигнала 1щ) и некото­рые другие.

Динамические ОЗУ. Для увеличения информационной емкости широко используются динамические ОЗУ, в которых информация хранится в виде заряда соответствующих емкостей. При токе утечки обратно смещенного p-n-перехода около 10^-10 А и емкости хранения 0,1пФ время хранения не превышает 1мс. В связи с этим необходимо восстановление (регенерация)хранимой информации с периодом не более 1 мс. Емкостные ячейки памяти выполняются или на би­полярных, или на МОП транзисторах.

Для динамических ОЗУ характерны некоторые особенности, которые суще­ственно отличают их от статических: динамические ЗЯ не требуют источника питания; для выполнения регенерации заряда необходимы соответствующие бло­ки; малая потребляемая мощность; для управления динамическим ОЗУ необходи­мы последовательности импульсов, которые обычно формируются специальными генераторами.

По способу регенерации микросхемы динамических ОЗУ делятся на адресные и безадресные. При адресной регенерации производится перебор регенерируемых ячеек с тем, чтобы за период регенерации восстановить заряды во всех ячейках. При безадресной регенерации заряды восстанавливаются во всех ячейках при по­мощи специальных тактовых импульсов.

Отличительной особенностью микросхем динамических ОЗУ является их ад­ресация. Схемы динамических ОЗУ отличаются от схем статических ОЗУ исполь­зованием последовательной адресации. Вначале на адресный вход подается строб адреса строки RAS, а затем строб адреса столбца CAS. Для этих стробов имеются специальные выводы микросхемы, которые показаны на структурной схеме рис. 17.1. Адресные сигналы поступают в регистры-фиксаторы, а затем на дешиф­раторы адресов.

Устройство типовой ячейки памяти динамического ОЗУ приведено на рис. 17.5. Хранение информации происходит в емкости C_GS (затвор — исток) полевого транзистора, а транзистор VT1 выполняет роль ключа выборки. Со­хранность информации при выборке и хранении обеспечивается при помощи усилителя-регенератора. Режим хра­нения обеспечивается периодиче­ской регенерацией заряда емкости C_GS с частотой около сотни герц. В процессе регенерации уменьшение заряда на емкости C_GS компенсиру­ется усилителем регенератором.

Динамические ОЗУ имеют ма­лую потребляемую мощность (50... 500 мВт) при увеличении ин­формационной емкости по сравне­нию со статическим ОЗУ почти на порядок. Это объясняется тем, что для хранения информации почти не потребляется энергия, и все структуры работают в импульсном (ключевом) режиме.

Дата добавления: 2014-01-04