Пристрої, що запам'ятовують
Однією з основних характеристик ЗУ є ємність пам'яті - Найбільший обсяг даних, який одночасно може зберігатися в ЗП. Для її кількісної оцінки використовують біт, байт (8 біт), машинне слово (16 чи 32 біти). Швидкодія може характеризуватись часом циклу запису або зчитування (вибірки) інформації та часом звернення до пам'яті, що включає обидва цикли. Для оцінки енергоспоживання зазвичай використовується питома споживана потужність (з розрахунку 1 біт). Можуть наводиться два значення питомої потужності: для зберігання та обігу.
Розглянемо на найпростіших прикладах особливості побудови та роботи статичних ОЗП та ПЗП.
Статичні ОЗП. Схема ОЗП наведено на рис. 5.8. До складу ОЗУ входять:
• дешифратори рядків (DCX) та стовпців (DCY), щоб забезпечити вибір необхідного елемента пам'яті (ЭП). На їх входи надходить М-розрядний адресний код А, причому на входи DCX - Мх молодших розрядів коду, на входи DCY – Му старших розрядів. Число виходів дешифратора рядків I = 2Мх, дешифратора стовпців -J = 2Му. Для ОЗУ, що розглядається Мх = Му = 2 (М = 4), I=J= 4;
Мал. 5.8.
Структура статичної ОЗП
- • накопичувач, представлений у вигляді матриці з елементів пам'яті (де i – номер рядка; a j – номер стовпця, ), розташованих уздовж рядків i та стовпців j. Стовпець є дві розрядні шини і . ЕП є бістабільний осередок (тригер), виконаний на двох інверторах (див. параграф 3.7). Транзисторні ключі призначені для підключення тригера до шин. Загальна кількість ЕП визначає інформаційну ємність ОЗУ, яка дорівнює , де число рядків, число стовпців, N = 16;
- • блок ключів вибірки стовпців на транзисторних ключах дешифратора, що відмикаються за вихідним сигналом DCY;
- • пристрій вводу-виводу, що містить підсилювачі запису та зчитування, інвертор, призначений для отримання прямого та інверсного сигналів при запису, що подаються на шини і два транзисторні ключі K0, K1 – для приєднання пристрою вводу-виводу до розрядних шин накопичувача;
- • вузол управління, що складається з логічних елементів. DI і виходи (прямий та інверсний), вхід вибору мікросхеми (кристала) , вхід роздільної здатності запису (або запису/читання) і висновки для подачі напруги живлення.
Режими роботи СОЗУ встановлюються шляхом подання сигналів згідно з табл.
У режимі зберігання ключі та розімкнені та пристрій вводу-виводу відключено від решти ОЗУ.
При надходженні ключі КО і Kl замикаються. Х2 = 1 (на решті виходів сигнали дорівнюють нулю, цей випадок зображений на рис. 5.8).Х2= відкриваються транзисторні ключі K02 j, K2 j і тригери всіх ЕП2, рядки 2 (тобто для всіх стовпців у = 0, 1, 2, 3) підключаються до розрядних шин ШРСГ, LUPL. , і К1, блоку ключів вибірки стовпців. підключеним тільки тригер ЕП2, розташований на перетині рядка 2 і стовпця 1 (ШРО,, ШР1,).
При записі інформації (W/R = 0) вхідні підсилювачі відкриті сигналом VW = 1, з їх виходів на розрядні шини ШР1,, ШРО, надходить пряме та інверсне значення вхідних даних DI. Якщо DI = 0, то сигнали на розрядних шинах ШРО, = 0, ШР1, = 1 і в тригер елемента пам'яті ЕП2 записується 0. При подачі DI= 1 (ШРО, = 1, ШР1, = 0) у тригер запишеться 1.
При зчитуванні інформації (W/R = 1) вихідні підсилювачі відкриті сигналом VR = 1. Якщо тригер ЕП2 зберігав 0, то на розрядних шинах ШРО, = 0, ШР1, = 1 і з виходів підсилювачів знімаються сигнали DO = 0, DO = 1. Якщо тригер зберігав 1, то сигнали на зазначених виходах мають протилежні значення.
Постійні пристрої, що запам'ятовують працюють тільки в режимах зберігання та зчитування. Накопичувачі ПЗП також мають матричну структуру. Функції ЕП виконують напівпровідникові діоди або транзистори (з плавкими перемичками), що включені між шинами рядків і стовпців матриці. Наявність перемички відповідає, наприклад, логічній одиниці, та її відсутність – нулю. Це забезпечує енергонезалежність ПЗП, тобто. збереження інформації при відключенні напруги живлення. Мікросхеми ПЗУ мають словникову організацію, за якої інформація зчитується у формі багаторозрядного коду (слова). Сукупність елементів пам'яті в матриці накопичувача, що зберігають слово, називають осередком пам'яті. Кожен такий осередок пам'яті має свою адресу. Число ЕП в комірці визначає її розрядність N. Якщо кількість адресних входів М, то осередків дорівнює 2М, а інформаційна ємність мікросхеми – 2М × N біт. Таким чином, загальною властивістю ПЗП є їх багаторозрядна (словникова) організація, режим зчитування як основний режим роботи та енергонезалежність.
Проілюструємо властивість енергонезалежності та принцип роботи ПЗП за допомогою рис. 5.9, на якому зображено найпростіший варіант схеми ПЗП, в якій використовуються напівпровідникові діоди. Постійний пристрій містить:
- • дешифратор DC з двома адресними A1, А0 входами та чотирма виходами, що утворюють адресні шини ША00 – UIA11;
- • п'ять розрядних шин ШР4 – ШР0;
- • послідовні ланцюги, складені з напівпровідникових діодів та плавких перемичок (у вигляді кружальців) та підключені між адресними та розрядними шинами;
- • п'ять електролампочок, що використовуються для індикації стану ПЗП.
При програмуванні частина плавких перемичок перепалюється шляхом пропускання підвищеного струму через діоди. В результаті програмування в ПЗП записується чотири 5-розрядні слова, причому збереженій перемичці відповідає рівень логічної одиниці, а перепаленій - рівень логічного нуля. При поданні на вхід дешифратора адресного коду A1A0 = 01 лише з адресної шині ША01 утворюється позитивне напруга, тобто. ША01 = 1. У тих ланцюгах, де перемички збережені, лампочки загоряться
Мал. 5.9.
Схема ПЗУ з використанням напівпровідникових діодів
та зафіксують рівень логічної одиниці. У ланцюгах з незбереженими перемичками лампочки не горітимуть, що відповідає фіксації рівня логічного нуля. Як випливає з рис. 5.9, для даного випадку з ПЗУ зчитується 5-розрядний код 01100. Таким чином, занесена в ПЗУ інформація (дані) не залежить від напруги живлення, а визначається станом плавких перемичок.
Дешифратор (DeCoder – DC) – це комбінаційний пристрій з M входами та N виходами (М × N), перетворююче М-розрядний двійковий код N-розрядний унітарний код з єдиною одиницею або єдиним нулем. Максимальна кількість виходів N = 2м відповідає всім можливим наборам сигналів на вході дешифратора. Побудуємо схему дешифратора DC, використовуваного в наведених вище пристрої з числом входів M= 2, опис якого задано таблицею істинності (табл. 5.3). Користуючись таблицею, запишемо структурні формули у СДНФ:
Пристрої, що запам'ятовують
Постійні пристрої, що запам'ятовують (ПЗУ). Дуже часто у різних застосуваннях потрібне зберігання інформації, яка не змінюється у процесі експлуатації пристрою. Це така інформація, як програми у мікроконтролерах, початкові завантажувачі та BIOS у комп'ютерах, таблиці коефіцієнтів цифрових фільтрів у сигнальних процесорах. Майже завжди ця інформація не потрібна одночасно, тому найпростіші пристрої для запам'ятовування постійної інформації можна побудувати на мультиплексорах. Схема такого постійного пристрою (ПЗУ) наведена на рис. 2.60. Мал. 2.60. Схема ПЗУ, побудована на мультиплексорі
У цій схемі побудовано постійний пристрій на вісім однорозрядних осередків. Запам'ятовування конкретного біта в однорозрядну комірку проводиться запаюванням дроту до джерела живлення (запис одиниці) або запаюванням дроту до корпусу (запис нуля). На важливих схемах такий пристрій позначається, як показано на рис. 2.61. Мал. 2.61.
Позначення ПЗП на принципових схемах Щоб збільшити розрядність осередку пам'яті ПЗУ, ці мікросхеми можна з'єднувати паралельно (виходи і записана інформація, природно, залишаються незалежними). Схема паралельного з'єднання однорозрядних ПЗП наведено на рис. 2.62. Мал. 2.62.
Схема багаторозрядного ПЗП У реальних ПЗУ запис інформації здійснюється за допомогою останньої операції виробництва мікросхеми - металізації.Ще одна відмінність реальних мікросхем від спрощеної моделі, наведеної вище, - це використання крім мультиплексора ще й демультиплексора Таке рішення дозволяє перетворити одновимірну структуру, що запам'ятовує, і тим самим істотно скоротити обсяг схеми. дешифратора, який буде необхідний роботи схеми ПЗУ. рис. Мал. 2.63. Масочні ПЗУ зображуються на принципових схемах, як показано на рис. 2.64. .Читання мікросхеми здійснюється сигналом RD. Позначення масочного ПЗП на принципових схемах Програмування масочного ПЗУ проводиться на заводі-виготовлювачі, що дуже незручно для дрібних та середніх серій виробництва, не кажучи вже про стадію розробки пристрою. Для дрібних та середніх серій виробництва радіоапаратури були розроблені мікросхеми, які можна програмувати у спеціальних пристроях. програматорах. У цих мікросхемах постійне з'єднання провідників у запам'ятовує матриці замінюється плавкими перемичками, виготовленими з полікристалічного кремнію.При цьому якщо на вихід мікросхеми подається напруга живлення (логічна одиниця), то через перемичку струм не буде протікати і перемичка залишиться непошкодженою. Якщо ж на вихід мікросхеми подати низький рівень напруги (приєднати до корпусу), то через перемичку протікатиме струм, який випарує цю перемичку і при подальшому зчитуванні інформації з цієї комірки зчитуватиметься логічний нуль.
Електрично стираються ППЗУ (ЕСППЗУ) дорожче і менше за обсягом, зате дозволяють перезаписувати кожну комірку пам'яті окремо. В результаті ці мікросхеми мають максимальну кількість циклів запису-стирання. Область застосування ПЗП, що електрично стираються, — зберігання даних, які не повинні стиратися при вимиканні живлення. До таких мікросхем належать вітчизняні мікросхеми 573PP3, 558РР та зарубіжні мікросхеми серії 28сХХ. ПЗУ, що електрично стираються, позначаються на схемах, як показано на рис. 2.67.
Мал. 2.67. Позначення ПЗУ, що електрично стирається, на принципових схемах
Останнім часом намітилася тенденція зменшення габаритів ЕСППЗП за рахунок зменшення кількості зовнішніх ніжок мікросхем. Для цього адреса та дані передаються в мікросхему та з мікросхеми через послідовний порт. При цьому використовуються два види послідовних портів - SPI-порт і 12С-порт (мікросхеми 93хХХ і 24сХХ серій відповідно). Зарубіжній серії 24СХХ відповідає вітчизняна серія мікросхем 558РРХ.
FLASH-ПЗУ відрізняються від ЕСППЗУ тим, що стирання проводиться не кожного осередку окремо, а всієї мікросхеми в цілому або блоку матриці, що запам'ятовує, цієї мікросхеми, як це робилося вРПЗУ (рис. 2.68).
Мал. 2.68. Позначення FLASH-пам'яті на принципових схемах
При зверненні до постійного пам'яті пристрою спочатку необхідно виставити адресу осередку пам'яті на шині адреси, а потім зробити операцію читання з мікросхеми. Ця часова діаграма наведено на рис. 2.69.
Мал. 2.69. Тимчасова діаграма читання інформації з ПЗП
На рис. 2.69 стрілками показана послідовність, в якій повинні формуватися сигнали, що управляють. На цьому малюнку RD - це сигнал читання, А - сигнали вибору адреси комірки (оскільки окремі біти в шині адреси можуть приймати різні значення, то показані шляхи переходу як в одиничний, так і в нульовий стан), D - вихідна інформація, зчитана з обраного осередку ПЗУ.
Статичні оперативні запам'ятовуючі пристрої (ОЗП). У радіоапаратурі часто потрібне зберігання тимчасової інформації, значення якої не має значення при включенні пристрою. Таку пам'ять можна було б побудувати на мікросхемах EEPROM або FLASH-пам'яті, але, на жаль, ці мікросхеми дороги, мають малу кількість перезаписів і надзвичайно низьку швидкодію при зчитуванні і, особливо, запису інформації. Для зберігання тимчасової інформації можна скористатися паралельними регістрами. Оскільки слова, що запам'ятовуються, не потрібні одночасно, то можна скористатися механізмом адресації, який застосовується в ПЗУ.
Схеми, у яких як запам'ятовує осередки використовується паралельний регістр, називаються статичної ОЗУ, оскільки у ній зберігається постійно, поки до мікросхеми підключено харчування. На відміну від статичної ОЗП у мікросхемах динамічного ОЗП постійно потрібно регенерувати їх вміст, інакше інформація буде зіпсована.
У мікросхемах ОЗУ присутні дві операції: записи та читання.Для запису та читання інформації можна використовувати різні шини даних (як це робиться в сигнальних процесорах), але частіше використовується та сама шина даних. Це дозволяє економити висновки мікросхем, що підключаються до цієї шини, і легко комутувати сигнали між різними пристроями.
Схема статичного ОЗУ наведено на рис. 2.70. Вхід та вихід мікросхеми у цій схемі об'єднані за допомогою шинного формувача. Природно, що схеми реальних ОЗУ відрізнятимуться від наведеної цьому малюнку. Проте наведена схема дозволяє зрозуміти, як працює реальна ОЗУ. Зображення ОЗП на важливих схемах наведено на рис. 2.71.
Сигнал запису WR дозволяє записати логічні рівні, присутні на інформаційних входах у внутрішній осередок ОЗП. Сигнал читання RD дозволяє видати вміст внутрішнього осередку пам'яті на інформаційні виходи мікросхеми. У наведеній на рис. 2.71 схемою неможливо одночасно проводити операцію запису та читання, але зазвичай це і не потрібно.
Мал. 2.70. Структурна схема ОЗУ
Мал. 2.71. Зображення ОЗП на важливих схемах
Конкретна комірка мікросхеми вибирається за допомогою двійкового коду - адреси комірки. Об'єм пам'яті мікросхеми залежить від кількості осередків, що містяться в ній, або, що те саме, від кількості адресних проводів. Кількість осередків у мікросхемі можна визначити за кількістю адресних проводів, зводячи 2 ступінь, рівну кількості адресних висновків у мікросхемі:
Виведення вибору кристала CS дозволяє об'єднувати кілька мікросхем збільшення обсягу пам'яті ОЗУ. Така схема наведена на рис. 2.72.
Мал. 2.72. Схема ОЗУ, побудованого на кількох мікросхем пам'яті
Статичні ОЗУ вимагають для своєї побудови великої площі кристала, тому їхня ємність відносно невелика. Статичні ОЗУ застосовуються для побудови мікроконтролерних схем через простоту побудови принципової схеми та можливості працювати на скільки завгодно низьких частотах, аж до постійного струму. Крім того, статичні ОЗП застосовуються для побудови кеш-пам'яті в універсальних комп'ютерах через високу швидкодію статичної ОЗП.
Тимчасові діаграми читання із статичного ОЗУ збігаються з часовими діаграмами читання із ПЗУ. Тимчасові діаграми запису в статичне ОЗП та читання з нього наведено на рис. 2.73.
Мал. 2.73. Тимчасова діаграма звернення до ОЗП, прийнята для схем, сумісних із стандартом фірми Intel
На рис. 2.73 стрілками показана послідовність, в якій повинні формуватися сигнали, що управляють. На цьому малюнку RD це сигнал читання; WR - сигнал запису; А - сигнали вибору адреси осередку (оскільки окремі біти в шині адреси можуть набувати різних значень, то показані шляхи переходу як в одиничний, так і в нульовий стан); DI - вхідна інформація, призначена для запису в комірку ОЗУ, розташовану за адресою А1; DO - вихідна інформація, зчитана з осередку ОЗУ, розташованої за адресою А2.
На рис. 2.74 стрілками показана послідовність, в якій повинні формуватися сигнали, що управляють.На цьому малюнку R/W це сигнал вибору операції запису або читання; DS - сигнал стробування даних; А - сигнали вибору адреси осередку (оскільки окремі біти в шині адреси можуть набувати різних значень, то показані шляхи переходу як в одиничний, так і в нульовий стан); DI - вхідна інформація, призначена для запису в комірку ОЗУ, розташовану за адресою Al; DO - вихідна інформація, зчитана з осередку ОЗУ, розташованої за адресою А2.
Мал. 2.74. Тимчасова діаграма звернення до ОЗУ прийнята для схем, сумісних зі стандартом фірми «Motorola»
Контрольні питання та завдання
- 1. Перевести число DCCXIX з римської системи рахунку до арабської.
- 2. Скласти таблицю натурального ряду чисел від 0 до 25 у десятковій та семеричній системах числення.
- 3. Скласти алгоритм переведення цілих і дробових чисел із десяткової системи числення до шістнадцяткової системи числення.
- 4. Скласти алгоритм перекладу з двійкової у вісімкову та шістнадцяткову системи.
- 5. Перевести числа з десяткової системи числення у вісімкову систему числення:
- 23,13 jo ЙГ8;
- 54,39,0-А8.
- 6. Перевести числа з двійкової системи числення до шістнадцяткової системи числення:
- 11101101,10112 -А16;
- 1000100101, io'iooi2-a16.
- 7. Перевести числа з вісімкової системи числення до шістнадцяткової системи числення:
- 25,58 — ХН);
- 36,318 У10.
- 8. Перевести числа з десяткової системи числення до шістнадцяткової системи числення:
- 51,23|0 — Хх(>
- 97,2910- Xi6.
- 9. Отримати прямий, зворотний та додатковий коди наступних чисел: у4|0 = 31; Ую— -23 - І виконати складання цих чисел.
- 10. Виконати арифметичні операції у восьмеричній системі числення: А8 = 750; У8 = 236. Знайти А8 + В8, А8 - У8.
- 11. Навести приклади простих та складних висловлювань.
- 12. Написати формули СКНФ та СДНФ для змінних Х0, Хі Х2.
- 13. Написати формулу залежності кількості різних функцій перемикання від числа аргументів.
- 14. За допомогою таблиці істинності перевірити правило де Моргана.
- 15. Побудувати таблицю істинності та умовне позначення логічних схем «НЕ», «І», «АБО», «І-НЕ», «АБО-НЕ».
- 16. Побудувати таблицю істинності, логічну схему та, використовуючи закони алгебри, мінімізувати наступну функцію алгебри логіки:
F = (А+В) + АВ+В.
17. Дослідити логічну схему та визначити, за яких вхідних значень А і У вихідне значення логічної схеми дорівнює одиниці.
- 18. Вивчити роботу асинхронного RS-тригера.
- 19. Дослідити роботу напівсуматора двійкових чисел.
- 20. Дослідити роботу однорозрядного компаратора двійкових чисел.
- 21. Згідно з наведеною нижче таблицею істинності побудувати схему мультиплексора.
Постійні пристрої (ПЗУ): принцип роботи, класифікація, характеристики
Всі постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗП) можна розділити на такі групи:
- програмовані під час виготовлення (позначають як ПЗУ чи ROM);
- з одноразовим програмуванням, що дозволяє користувачеві одноразово змінити стан матриці пам'яті електричним шляхом за заданою програмою (позначають як ППЗП або PROM);
- перепрограмовані (репрограмовані), з можливістю багаторазового електричного перепрограмування, з електричним або ультрафіолетовим стиранням інформації (позначають як РПЗП або RPROM).
Для забезпечення можливості об'єднання по виходу при нарощуванні пам'яті, всі ПЗУ мають виходи з трьома станами або відкриті колекторні виходи.
Види ПЗУ
У ППЗУ накопичувач побудований на осередках, що запам'ятовують, з плавкими перемичками, виготовленими з ніхрому або інших тугоплавких матеріалів.Процес запису полягає у вибірковому перепалюванні плавких перемичок.
У РПЗУ осередки, що запам'ятовують, будуються на основі МОП-технологій. Використовуються різні фізичні явища зберігання заряду на кордоні між двома різними діелектричними середовищами або провідним та діелектричним середовищем.
У першому випадку діелектрик під затвором МОП-транзистора роблять із двох шарів: нітриду кремнію та двоокису кремнію (SiN4 - SiO2). Було виявлено, що в складній структурі SiN4 - SiO2 при зміні електричної напруги виникає гістерезис заряду на межі розділу двох шарів, що і дозволяє створювати осередки, що запам'ятовують.
У другому випадку основою пам'ятного осередку є лавинно-інжекційний МОП-транзистор з плаваючим затвором (ЛІПЗ МОП). Спрощена структура такого транзистора наведена на рис. 3.77.
У лавинно-інжекційному транзисторі з плаваючим затвором при досить великій напрузі на стоку відбувається оборотний лавинний пробій діелектрика, і область плаваючого затвора інжектуються носії заряду. Оскільки плаваючий затвор оточений діелектриком, то струм витоку малий і зберігання інформації забезпечується протягом тривалого часу (десятки років). При подачі напруги на основний затвор відбувається розсмоктування заряду з допомогою тунельного ефекту, тобто. стирання інформації.
Характеристики ПЗУ
Наведемо деякі характеристики ПЗП (табл. 3.1).
Схеми ПЗУ
Промисловість випускає велику кількість мікросхем ПЗП. Наведемо як приклад дві мікросхеми ПЗП (рис. 3.78).
На схемах використані такі позначення: Ai - адресні входи; Di - Інформаційні виходи; CS - Вибір мікросхеми; РЄ – дозвіл виходу.
Мікросхема К573РФ5 - це репрограмоване ПЗП (РПЗП) з ультрафіолетовим стиранням, що має структуру 2Кх8. По входу та виходу ця мікросхема сумісна з ТТЛ-структурами. Мікросхема К556РТ5 - це одноразово програмована ПЗУ, виконана на основі ТТЛШ-структур, по входу та виходу сумісна з ТТЛ-структурами, що має структуру 512біт х8.
