Лекция № 4+
Основными операциями в памяти, в общем случае, являются:
- запись - занесение информации в память;
- считывание - выборка информации из памяти.
Основными характеристиками систем памяти являются:
- информационная емкость - максимально возможное количество байтов хранимой информации;
- ширина выборки (разрядность) - количество разрядов информации, записываемых в ЗУ или извлекаемых из него за одно обращение;
- время обращения (быстродействие) - характеризуется временем цикла обращения к ЗУ, т.е. интервалом времени от момента поступления кода адреса до установления информации на выходе.
- способность сохранения информации при отключения питания.
По способу организации доступа к памяти различают ЗУ с произвольным доступом (адресные) и ЗУ с последовательным доступом (безадресные).
По способу хранения информации различают статические и динамические ЗУ.
По функциональному назначению различают сверхоперативные ЗУ (СОЗУ), оперативные ЗУ (ОЗУ), постоянные ЗУ (ПЗУ), перепрограммируемые постоянные ЗУ (ППЗУ), стековые ЗУ.
СОЗУ представляют собой набор регистров, содержание которых непосредственно используется при обработке информации в микропроцессоре. СОЗУ встроено в БИС микропроцессора и предназначено для хранения команд, операндов и результатов промежуточных вычислений. Разрядность СОЗУ соответствует разрядности микропроцессора.
ОЗУ предназначено для хранения оперативной (переменной) информации, требующейся в процессе обработки. ОЗУ разделяют на динамические и статические. Элементарная ячейка динамического ОЗУ базируется на конденсаторе.
Подобные запоминающие ячейки расположены в виде матрицы на пересечении линий связи, называемых соответственно столбцами и строками. Во время цикла записи конденсатор заряжается до “0” или “1” от шины выбора столбца при активном состоянии сигнала выбора ряда. Во время цикла чтения заряд конденсатора передается через открытый транзистор и шину выбора столбца на выходные усилители, и дальше, на выход. Утечки емкости, а также ее разряд во время цикла чтения обуславливают необходимость регенерации информации, которая заключается в последовательном переборе адресов строк. Примером динамического ОЗУ может служить микросхема К565РУ7.
Ее основные характеристики:
Емкость - 256 Кбит.
Разрядность - 1 бит.
Время цикла “запись/чтение” - около 300 нс.
Диаграмма цикла записи данных имеет вид.
Сначала на адресные входы подается код адреса необходимой строки, который фиксируется внутри микросхемы по отрицательному фронту сигнала RAS. Затем, аналогичным образом, по отрицательному фронту сигнала CAS фиксируется код адреса необходимого столбца. После этого, по отрицательному фронту сигнала WR данные, находящиеся на входе DI, записываются в выбранную запоминающую ячейку.
Диаграмма цикла чтения имеет вид:
Адрес требуемой запоминающей ячейки фиксируется аналогично циклу записи. При нулевом уровне сигнала на входе CAS и единичном на входе WR выход DO выходит из высокоимпедансного состояния и на нем появляются данные из требуемой запоминающей ячейки.
Регенерация информации осуществляется обращением к каждой из 512 строк не реже, чем один раз каждые 8 мс. При этом регенерируется сразу вся строка.
Элементарной запоминающей ячейкой статического ОЗУ является триггер. Триггер, как схема с двумя устойчивыми состояниями не требует регенерации информации. Он способен хранить информацию как угодно долго при включенном питании. Примером статического ОЗУ может служить микросхема КР537РУ10.
Ее основные характеристики:
- Емкость - 16384 бита;
- Разрядность - 8 бит (2048*8);
- Время цикла записи/чтения - 200 нс.
Диаграммы циклов чтения и записи имеют вид:
На адресные входы подается код полного адреса требуемой запоминающей ячейки (а не отдельные адреса строки и столбца как в предыдущем случае) и удерживается на протяжении всего цикла. Вход CS является входом выбора кристалла. Микросхема осуществляет цикл записи или чтения только при нулевом уровне сигнала на этом входе. Вход OE является входом разрешения выхода. При подаче на этот вход сигнала нулевого уровня выходы данных микросхемы выходят из высокоимпедансного состояния и на них появляются данные из запоминающей ячейки, адрес которой в данный момент присутствует на адресных входах. Запись данных в микросхему осуществляется по положительному перепаду сигнала на входе WR/RD при единичном уровне сигнала на входе OE и нулевом - на входе CS.
Статические ОЗУ, как правило, быстрее чем динамические и не требуют, как последние регенерации информации в процессе работы. Однако, они сложнее динамических ОЗУ по своей организации. Поэтому статические ОЗУ как правило имеют меньший объем и большую стоимость чем динамические ОЗУ.
ПЗУ - запоминающее устройство, содержимое которого не может быть изменено микропроцессором в процессе работы и сохраняется при выключении питания. Эти запоминающие устройства в составе системы работают только в режиме чтения.
По способу программирования ПЗУ делятся на масочные и электрически программируемые.
Масочные ПЗУ реализуются на базе диодных или транзисторных матриц.
Выбор необходимой информации осуществляется подачей нуля на соответствующую адресную шину. Если диод есть, то на разрядной шине окажется ноль, если нет - то единица. Запись информации осуществляется путем выжигания ненужных диодов лазерным или электронным лучом на заводе в процессе изготовления микросхемы. В дальнейшем записанная информация изменена быть не может.
Более быстрое ПЗУ реализуется на биполярных и МОП - транзисторах. Информация записывается путем нанесения или отсутствия металлизации стока затвора.
Примером масочного ПЗУ может служить микросхема К555РЕ4.
Ее основные характеристики:
- емкость - 16 Кбит;
- организация - 2К*8;
- время цикла чтения - 110 нс.
Микросхема представляет собой генератор символов КОИ -8.
Перепрограммируемые ПЗУ бывают двух типов: электрически стираемые и с ультрафиолетовым стиранием. Электрически стираемые изготавливаются по МОП - технологии. При подаче на затвор транзистора большого управляющего импульса на транзисторе фиксируется уровень заряда, который сохраняется при снятии программирующего импульса. Амплитуда программирующего импульса в несколько раз превышает амплитуду обычных логических уровней сигналов. При подаче на затвор транзистора импульса обратной полярности его заряд стекает и транзистор вновь переходит в непроводящее состояние. Таким образом осуществляется перепрограммирование.
ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием строятся на МОП ячейках с плавающим затвором. Режим программирования осуществляется аналогично электрически стираемым ППЗУ, однако перепрограммирование нельзя осуществить подачей импульса обратной полярности. Для стирания информации матрица облучается ультрафиолетовым излучением определенного спектра, которое переводит все транзисторы обратно в непроводящее состояние.
Примером ППЗУ с УФ стиранием может служить микросхема К573РФ2.
Ее основные характеристики:
- емкость - 16384 Бит;
- разрядность - 8 Бит;
- время цикла чтения - 200 нс.
Диаграмма цикла чтения имеет вид.
Данные из запоминающей ячейки, адрес которой присутствует на адресных входах в течение всего цикла, считываются при подаче сигналов нулевого уровня на вход выбора кристалла CS и вход разрешения выхода CEO. На входах PR и U
PR при этом должны быть единичные уровни сигналов.Диаграмма цикла программирования имеет вид.
Программирование запоминающей ячейки осуществляется при единичном уровне сигнала на входе CEО и нулевом уровне сигнала на входе CS путем подачи напряжения программирования 20 В на вход U
PR и нулевого импульса программирования длительностью 50 мс на вход PR . Как видно из приведенных диаграмм, режим программирования существенно отличается от режима чтения и в общем случае не может быть реализован в работающей системе. Программирование подобных микросхем осуществляется в специальных устройствах, называемых программаторами ППЗУ.