Полупроводниковые запоминающие устройства Память ЭВМ - это её функциональная часть, предназначенная для записи, хранения и выдачи данных. Определим ряд терминов: Запоминающее устройство (ЗУ) - устройство, физически реализующее функцию памяти данных и программ. Обращение к ЗУ - это запись или считывание. Быстродействие ЗУ - определяется продолжительностью операции обращения к ЗУ. Запоминающий элемент (ЗЭ) - часть памяти, предназначенная для сохранения одного бита информации. Информационная емкость – это объем памяти - количество бит (байт) информации, которое можно разместить в памяти. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - энергозависимое ЗУ, служащее для первоначального (временного) сохранения вводимой информации. Постоянное запоминающее устройства (ПЗУ) - энергонезависимое ЗУ, служащее для хранения неизменной информации (управляющих программ и программ, отлаженных пользователем). Регенерация - процесс обновления путём перезаписывания информации в динамическом ОЗУ, осуществляемый с периодичностью порядка 2 миллисекунды. Регистры общего назначения (РОНы) микропроцессора регистровая память. - встроенная в кристалл Шина адреса (ША) - совокупность адресных линий, подающих код адреса ячеек памяти или внешних устройств. Шина данных (ШД) - совокупность информационных линий, по которым происходит передача разрядов кода двоичного числа. Запоминающие устройства классифицируют: 1. по месторасположению по отношению к вычислительному устройству: - внешние ЗУ; - внутренние ЗУ; 2. по назначению: - сверхоперативные (СОЗУ) - имеют быстродействие, соизмеримое с быстродействием вычислительного устройства. Служат для хранения результатов его промежуточных операций. В микропроцессорах (МП) роль СОЗУ выполняет регистровая память - встроенные в кристалл МП регистры общего назначения (РОНы). - оперативные (ОЗУ) - энергозависимые ЗУ, служащие для первоначального сохранения вводимой информации. При потере питания информация теряется; - постоянные (ПЗУ) - энергонезависимое ЗУ, служащее для хранения неизменной информации (управляющих программ и программ, отлаженных пользователем); - буферные (БЗУ) - предназначены для промежуточного хранения информации при её обмене между устройствами, работающими с разной скоростью. Эту роль выполняются регистровые схемы или ОЗУ малого объема; - внешние (ВЗУ) - служат для хранения большого объёма информации на внешнем по отношению к вычислительному устройству носителе, как правило, магнитном; 3. по физическим принципам действия: - магнитные; - полупроводниковые; 4. по способу хранения информации: - статические; - динамические; 5. по способу доступа к ячейке: - с последовательным доступом - когда осуществляется последовательное обращение к ячейкам до тех пор, пока не произойдет обращение к нужной ячейке с заданным адресом. Примером может служить накопитель на магнитной ленте; - с циклическим доступом - когда из нужной ячейки информация считывается в определенные моменты, разделенные интервалом времени; - с произвольным доступом. Информационная ёмкость (объём) памяти Один разряд двоичного слова - 1 бит информации - сохраняется в элементарной ячейке памяти, называемой запоминающим элементом (ЗЭ). Для хранения информации, содержащейся в многоразрядном слове, необходима одномерная матрица памяти, приведена на рисунке 1 Информационный объём ЗУ а), в которой разряды расставлены в соответствии со степенью числа 2. Разряд, соответствующий нулевой степени, называют младшим, максимальной - старшим. А для работы с большими массивами информации необходимы двумерные матрицы ЗЭ, имеющие заданную разрядность (ширину) и количество строк (длину). Так, на рисунке 1 Информационный объём ЗУ б), показана матрица для хранения четырёх 8-разрядных чисел. Разрядность задают в битах или байтах (1 байт = 8 бит). Каждое число в память записывается по определенному адресу, задаваемому опять-таки в двоичном коде. Так, на рисунке 1 Информационный объём ЗУ б), первое число (010011102 = 7810) имеет адрес 002, следующее ( 010001002 = 6810) - адрес 012, далее (110011002 = 20410) – адрес 102 и последнее (110111112 = 22310) - адрес 112. Таким образом, если n разрядность адреса, то количество строк матрицы памяти будет равно 2n. Информационный объём памяти обычно задают в более крупных, нежели байт, единицах - в кило-, мега- и гигабайтах: 1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт; 64 Кбайт = 216 байт = 65536 байт и т.д. Рисунок 1 Информационный объём ЗУ: а) - одномерная матрица для хранения одноразрядного числа; б) - двумерная матрица на четыре 8разрядных числа Структурные схемы ЗУ В общем случае структурные схемы определяют основные функциональные части системы, в нашем случае БИС ЗУ, их назначение и взаимосвязи и служат для общего ознакомления с работой ЗУ. Именно структурные схемы БИС и приводятся в справочной литературе по интегральным схемам. Статическое ОЗУ с матричным накопителем Структурная схема приведена на рисунке 2. Здесь DI (от англ. data input ) линия входных данных; CS - (от англ. cheap select ) - выбор кристалла сигнал, разрешающий работу БИС ОЗУ; - (от англ. write - запись, read - чтение) - сигнал управления записью (нулевой уровень активен, что показано в виде инверсии сигнала) и чтением (единичный уровень); DO - (от англ. data output ) - линия выходных данных. Рисунок 2. Структурная схема статического ОЗУ с матричным накопителем На основе двоичного кода адресной шины с помощью дешифраторов адресных линий X и Y формируются разрешающие сигналы по одной строке и одному столбцу накопителя, определяя адресованную ячейку. Устройство управления задает режимы работы ЗУ в соответствии с комбинацией сигналов CS и , что отображено в таблице истинности ЗУ и временной диаграмме его работы, приведенной на рисунке 3 Временная диаграмма работы статического ОЗУ с матричным накопителем. Таблица истинности статического ОЗУ Рисунок 3. Временная диаграмма работы статического ОЗУ с матричным накопителем Сигнал - выбор кристалла CS играет роль синхросигнала, определяющего начало записи или считывания информации. К моменту установления разрешающего уровня сигнала CS = 1, должны быть сформированы требуемые значения остальных сигналов (код адреса на шине адреса (ША), управление записью и чтением и входные данные на шине данных (ШД) ). При хранении информации на DI и DO обычно устанавливается состояние высокого сопротивления, при котором эти линии отключены и от земли, и от источника питания. На рисунке 4 приведены примеры функциональных (условнографических) обозначений БИС статических ОЗУ, выполненных по различным технологиям. Рисунок 4. Функциональные (условно-графические) обозначения статических ОЗУ В таблице приведены основные параметры, приведенных на рисунке 4 статических ОЗУ. Здесь КМОП - комплементарная технология на МОПтранзисторах, И2Л - интегральная инжекционная логика. Таблица Параметры статических полупроводниковых ОЗУ Обозначение БИС КР188РУ2А 132РУ1 КР541РУ1 КР185РУ5 Технология изготовления КМОП n МОП И2Л ТТЛ Информационная емкость, бит 256x1 1024x1 4Кx1 1Кx1 Время выборки, нс 500 400 120 330 Динамическое ОЗУ с матричным накопителем Структурная схема приведена на рисунке 5 . Здесь - сигнал выбора строки; - сигнал выбора столбца; - сигнал управления записью/чтением; m - разрядность строки накопителя запоминающих элементов; n- разрядность столбца накопителя ; M = 2m - количество адресных линий строк; N = 2n - количество адресных линий столбцов. Адрес числа на ША задается (m+n)-разрядным двоичным числом, сохраняемым в регистре адреса. Рисунок 5. Структурная схема динамического ОЗУ с матричным накопителем При , m -разрядный адрес строки фиксируется в регистре адреса. При этом дешифратор адресных линий X выбирает одну из M строк накопителя. При последующей подаче , как показано на рисунке 6 Временная диаграмма работы динамического ОЗУ с матричным накопителем, производится регенерация строки путем передачи информации из всех запоминающих (ЗЭ) адресованной строки в N двунаправленных усилителей с последующей записью в те же ЗЭ. Таким образом, формируя на адресной шине последовательность адресов строк, можно за M тактов обеспечить полную регенерацию всего объема памяти. Это время не должно превышать 2 миллисекунды, за которое происходит полный разряд конденсатора - основы ЗЭ динамического ОЗУ. Таблица истинности динамического ОЗУ с матричным накопителем Рисунок 6. Временная диаграмма работы динамического ОЗУ с матричным накопителем Для чтения или записи нужно после адреса строки подать n-разрядный код адреса столбца. При активном сигнале выбора столбца дешифратор адресных линий Y обеспечит выбор одного из N двунаправленных усилителей. При будет производиться запись, а при - чтение из одного выбранного ЗЭ строки. На рисунке 7 приведены примеры функциональных (условнографических) обозначений БИС динамических ОЗУ, выполненных по различным технологиям, а далее в таблице приведены параметры динамических полупроводниковых ОЗУ, приведенных на рисунке 7. Рисунок 7. Примеры функциональных (условно-графических) обозначений БИС динамических ОЗУ Таблица Параметры динамических полупроводниковых ОЗУ, приведенных на рисунке 7 Обозначение БИС КР507РУ1 565РУ1А Технология изготовления p МОП n МОП Информационная емкость, бит 1Кx1 4Кx1 Время выборки, нс 400 200 Постоянные запоминающие устройства Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для постоянного, энергонезависимого хранения информации. По способу записи ПЗУ классифицируют следующим образом: - однократно программируемые маской на предприятии-изготовителе; - однократно программируемые пользователем с помощью специальных устройств, называемых программаторами - ППЗУ; - перепрограммируемые, или репрограммируемые ПЗУ - РПЗУ. Отсюда ключевые термины: Масочные ПЗУ – устройства однократно программируемой памяти. Программируемые ПЗУ (ППЗУ) - диодные или транзисторные матрицы, программируемые однократно пользователем. Репрограммируемые ПЗУ (РППЗУ) – устройства с возможностью стирания и перезаписи информации. Масочные ПЗУ Программирование масочных ПЗУ происходит в процессе изготовления БИС. Обычно на кристалле полупроводника вначале создаются все запоминающие элементы (ЗЭ), а затем на заключительных технологических операциях с помощью фотошаблона слоя коммутации реализуются связи между линиями адреса, данных и собственно запоминающим элементом. Этот шаблон (маска) выполняется в соответствии с пожеланиями заказчика по картам заказа. Перечень возможных вариантов карт заказов приводится в технических условиях на ИМС ПЗУ. Такие ПЗУ изготавливаются на основе матриц диодов, биполярных или МОПтранзисторов. Примеры функциональных (условно-графических) обозначений БИС масочных ПЗУ приведены на рисунке 8. Рисунок 8. Примеры функциональных (условно-графических) обозначений БИС масочных ПЗУ В таблице приведены параметры полупроводниковых масочных ПЗУ, приведенных на рисунке 8. Таблица Параметры полупроводниковых масочных ПЗУ, приведенных на рисунке 8 Обозначение БИС 505РЕ3 К568РЕ1 К596РЕ1 Технология изготовления pМОП nМОП ТТЛ Информационная емкость, бит 512x8 2Кx8 8Кx8 Время выборки, нс 1500 120 350 Программируемые ПЗУ Программируемые ПЗУ ( ППЗУ ) представляют собой такие же диодные или транзисторные матрицы, как и масочные ПЗУ, но с иным исполнением ЗЭ. Доступ к запоминающему элементу обеспечивается подачей логического 0 на линию адреса ЛА i. Запись в него производится в результате осаждения (расплавления) плавких вставок ПВ, включенных последовательно с диодами, эмиттерами биполярных транзисторов, стоками МОП-транзисторов. Плавкая вставка ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при программировании импульсами тока величиной 50 100 микроампер и длительностью порядка 2 миллисекунд. Если вставка сохранена, то в ЗЭ записан логический 0, поскольку реализована цепь между источником питания и землей на ЛА i через диод (в транзисторных матрицах – через открытый транзистор). Если вставка разрушена, то указанной цепи нет и в ЗЭ записана логическая 1. Примеры функциональных (условно-графических) обозначений БИС ППЗУ приведены на рисунке 9. Рисунок 9. Примеры функциональных (условно-графических) обозначений БИС ППЗУ В таблице приведены параметры ППЗУ, приведенных на рисунке 9. Таблица Параметры ППЗУ, приведенных на рисунке 9 Обозначение БИС КР556РТ4 К541РТ1 КР565РТ1 Технология изготовления ТТЛШ И2Л n МОП Информационная емкость, бит 256x4 256x4 1Кx4 Время выборки, нс 70 80 300 Репрограммируемые ПЗУ Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) делятся на два основные вида: 1. на основе МОП-матриц, в которых между металлическим затвором и слоем изолирующего оксида осаждается тонкий слой нитрида кремния. Отсюда и название технологии изготовления МНОП – металл – нитрид – оксид – полупроводник. Этот материал имеет свойство сохранять электрический заряд (положительный или отрицательный в зависимости от материала МОП-матрицы) после подачи на затвор транзистора программирующего импульса. Амплитуда этого импульса в несколько раз превышает напряжение источника питания ПЗУ в рабочем режиме (+ 5 В) и достигает 20 30 В. Длительность программирующего импульса составляет порядка десятков миллисекунд. При отсутствии дополнительных сигналов программирования или при отключении источника питания заряд в слое нитрида кремния будет сохраняться достаточно долго (гарантия порядка 10 лет). Стирание информации в РПЗУ данного вида производится также электрическим путем. Часто допускается возможность не только общего стирания всего объема информации, но и избирательное (пословное) стирание с последующим выполнением пословной записи. Примеры РПЗУ данного типа приведены на рисунке 10, а далее в таблице – их параметры. Рисунок 10. Примеры функциональных (условно-графических) обозначений БИС РППЗУ с электрическим стиранием информации Таблица Параметры РППЗУ, на основе МОП-матриц, приведенных на рисунке 10 Обозначение БИС К1601РР1 К505РР1 Технология изготовления МНОП ТТЛШ Информационная емкость, бит 1Кx4 256x8 Время выборки, нс 1,5 0,85 2. РПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым (УФ) облучением кристалла. Облучение производится в течение 10 20 минут через прозрачную кварцевую крышку на БИС РПЗУ. Примеры РПЗУ данного типа приведены на рисунке 11, а деле в таблице приведены их параметры. Рисунок 11. Примеры функциональных (условно-графических) обозначений БИС РППЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым облучением Таблица Параметры РППЗУ, со стиранием информации ультрафиолетовым облучением Обозначение БИС К573РФ1 К573РФ2 Технология изготовления ЛИЗНОП ЛИЗНОП Информационная емкость, бит 1Кx8 2Кx8 Время выборки, нс 0,45 0,9
