11. Организация оперативного запоминающего устройства (dram, sram).

По времени хранения информации, запоминающие устройства делятся на постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ). В ПЗУ информация хранится длительное время и сохраняется при выключении источников питания. В ОЗУ информация записывается и сохраняется лишь во время работы ЭВМ. После выключения ЭВМ, информация записанная в ОЗУ стирается.

Оперативные запоминающие устройства

По принципу действия различают статические и динамические ОЗУ. Запоминающими элементами (ЗЭ) статических ОЗУ служат триггеры, которые могут быть реализованы по любой технологии. В динамических ОЗУ носителем информации является емкость между затвором МОП-транзистора и корпусом, которая может быть заряжена или разряжена.

Статические запоминающие элементы.

ЗЭ биполярного ОЗУ представляет собой асинхронный триггер с непосредственными связями, выполненной на 2-х двухэмиттерных транзисторах (рис. 4). Работа триггера основана на том, что открытое состояние одного из транзисторов поддерживает закрытое состояние другого.

Так, например, если транзистор Т₁ открыт, то низкий потенциал его коллектора подается на базу транзистора Т₂ и поддерживает закрытое состояние транзистора Т₂. Высокий потенциал коллектора закрытого транзистора Т₂, в свою очередь, поддерживает открытое состояние транзистора Т₁.

В состоянии хранения на шине адреса ША поддерживается низкий потенциал.

Примем, что ЗЭ хранит 0, если транзистор Т₂ закрыт, а Т₁ - открыт. Тогда для записи 1 необходимо одновременно подать положительные сигналы в шину адреса ША и разрядную шину ШР”0” (транзистор Т₁ закрывается) и отрицательный сигнал в разрядную шину ШР”1” (транзистор Т₂ открывается).

Для считывания информации в адресную шину ША подается положительный сигнал. При этом в транзисторе, находящемся в открытом состоянии, происходит перераспределение токов эмиттеров, большая часть тока будет течь в разрядной шине ШР. Это приведет к срабатыванию соединенного с ней усилителя считывания.

Микросхемы биполярных ОЗУ обладают наивысшим быстродействием среди ОЗУ, однако по сравнению с ОЗУ, выполнеными по МОП-технологии, имеют значительную меньшую емкость и большее энергопотребление.

Это объясняется тем, что МОП-транзистор занимает в несколько раз меньшую площадь на кристалле, чем биполярный, и потребляет меньший ток. Поэтому в настоящее время ОЗУ, выполненные по МОП-технологии, являются наиболее перспективными.

Статические ОЗУ на МОП-структурах

ЗЭ статического ОЗУ на МОП-структурах (рис. 5) представляет собой триггерную схему на транзисторахТ₄ и Т₅ нагрузкой которых служат транзисторы Т₁, Т₂. Транзисторы Т₃, Т₆ - управляющие: при отпирании их положительным сигналом, передаваемым по шине адреса ША, они становятся проводящими в обоих направлениях.

Если открытому состоянию транзистора Т₄ соответствует нулевое состояние ЗЭ, то для записи 1 в ЗЭ необходимо одновременно подать положительный сигнал на шину адреса ША и отрицательный сигнал на шину ШР”0”. При этом транзистор Т₄ переходит в закрытое состояние, а Т₅ – в открытое.

Считывание информации производится подачей положительного сигнала в шину адреса ША, при этом потенциал с истока транзистора Т₄ передается через транзистор Т₃ на разрядную шину ШР”1”.

Статические ОЗУ на КМОП-транзисторах

Наименьшим энергопотреблением отличаются ОЗУ, выполненые на комплементарных МОП-транзисторах.

В ЗЭ КМОП-типа (рис. 6) транзисторы Т1, Т2 имеют каналы р-типа, а транзисторы Т3 – Т6 - каналы n-типа. Транзисторы Т1, Т2 работают в переключательном режиме таким образом, что если транзистор в плече триггера (Т4 или Т5) открыт, то соответствующий ему нагрузочный транзистор закрыт.

Врезультате потребляемая мощность в режиме хранения определяются токами утечкиn- и р-переходов. В режиме переключения требуется значительно большая мощность, так как при этом ток протекает через оба приоткрытых транзистора Т₁, Т₄ и Т₂, Т₅.

Рассеиваемая мощность КМОП ОЗУ на порядок меньше, чем у биполярных. Так, рассеиваемая мощность КМОП микросхемы КР537РУ2А при емкости 4096 бита составляет 0.4 и 20 мВт в режимах хранения и переключения соответственно, в то время как мощность ЭСЛ-микросхемы К500РУ470 составляет 800 мВт.

Динамическое ОЗУ

Поиски путей увеличения информационной емкости микросхем памяти привели к созданию динамических ОЗУ. Принцип действия ЗЭ динамических ОЗУ основан на хранении заряда емкости между затвором МОП-транзистора и общей точкой микросхемы, связанной с корпусом. Наличие или отсутствие заряда соответствует лог. 1 или 0.

Так как сопротивление изолированного затвора МОП-транзистора составляет 1013 - 1014 Ом, занесенный на емкость затвора заряд может сохраняться в течение десятков миллисекунд. Для восстановления (регенерации) заряда вводится специальный режим работы ОЗУ динамического типа – режим регенерации.

На рис. 7, а показан элемент динамической памяти с одним МОП-транзистором, который используется в качестве ключа. Конденсатор небольшой емкости С может быть образован в виде запертого p-n

Рис. 7. Запоминающие элементы динамической памяти: а – с одним МОП

Элементы динамической памяти образуют матрицу. Все затворы транзисторов одной строки присоединены к линии “Выбор строки”. Когда на эту линию подается разрещающее напряжение, то все МОП-транзисторы данной строки открыты. Но для записи или считывания подключается лишь одна вертикальная линия, к которой присоединены стоки других транзисторов, образующие столбец.

При записи в вертикальную линию “Запись-считывание” подается напряжение высокого или низкого уровня, а в линию “Выбор строки” – разрешающее напряжение. Запись производится в конденсатор С только одного запоминающего элемента. При чтении из конденсатора С счиывается уровень напряжения, усиливается и передается на последующие устройства.

На рис. 7, б приведена схема элемента динамической памяти с тремя МОП-транзисторами. В качестве запоминающего конденсатора используется паразитная входная емкость С_вх транзистора VT1.

Динамические элементы памяти не являются триггерами. Их схемы проще и содержит меньше МОП-транзисторв по сравнению со статическими элементами памяти на МОП-транзисторах. Это позволяет получать на одном кристалле большие объемы памяти.

Однако их главный недостаток – необходимость в сложных схемах регенерации. Регенерация прежде всего требует временных затрат. Поэтому динамические ОЗУ считается медленными.