28 Лекция. Классификация полупроводниковых запоминающих устройств. Построение модулей памяти микропроцессорных систем

Запоминающие устройства (ЗУ) – неотъемлемая часть любого микропроцессорного устройства, во многом определяющие его технические характеристики. В ЗУ бит информации хранится в специальном запоминающем элементе (ЗЭ). Помимо запоминающих элементов в состав ЗУ входят также схемы, обеспечивающие запись и считывание информации в конкретном ЗЭ.

Идеальный ЗЭ должен удовлетворять следующим требованиям [29]:

– выполнять операции «Запись и «Чтение» с временем реакции, стремящимся к нулю;

– иметь время хранения информации, стремящееся к бесконечности;

– допускать неограниченно многократную смену информации;

– быть энергонезависимым – сохранять информацию при отключении источника питания;

– обеспечивать высокую надежность хранения информации;

– обладать совместимостью с технологией изготовления микропроцессоров.

Появились энергонезависимые быстродействующие ЗЭ с возможностью совмещения с технологией производства микропроцессоров, что привело к созданию систем на кристалле (SOC – System On Chip).

БИС памяти характеризуют информационной емкостью, надежностью, быстродействием, энергопотреблением.

Информационную емкость определяют числом единиц информации в битах или в байтах, которое может храниться одновременно.

Быстродействие характеризуют временными параметрами: временем рабочего цикла записи и временем рабочего цикла чтения. Для ряда микросхем памяти эти времена практически одинаковы, для ряда ИС памяти эти времена существенно отличаются.

Время, необходимое для чтения (записи) данных, хранящихся по случайному адресу, называется временем доступа (Access Time). Для современных ИС оперативной памяти оно составляет примерно 1–60 нс. В реальных условиях работы компьютера обращение к памяти чаще происходит не по случайному адресу, поэтому рабочий цикл короче.

Энергопотребление определяют произведением тока и напряжений источников питания. Часто приводят значения потребляемой мощности для режима обращения, когда осуществляется запись или чтение информации, и для режима хранения, при котором уровень потребляемой мощности может быть существенно снижен и даже быть равным нулю. В последнем случае говорят об энергонезависимой памяти, т. е. микросхемах памяти, которые в режиме хранения данных могут быть отключены от источника питания и при этом сохраняют все данные.

28.1 Классификация полупроводниковых запоминающих устройств

На рисунке 28.1. приведена классификация полупроводниковых микросхем памяти. Все микросхемы можно разделить на два класса: энергозависимые и энергонезависимые.

Энергозависимые микросхемы памяти делятся на динамические и статические. Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ЗЭ записана логическая «1», если разряжен – логический «0». В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неограниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому в микросхемах памяти динамического типа предусмотрена специальная операция – регенерация памяти (Refresh) – восстановление заряда конденсатора.

На динамических микросхемах памяти построена основная (или оперативная) память компьютера (Main Memory). Ее другое название – ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – примерно соответствует английскому термину RAM (Random Access Memory) – память с произвольным доступом. Произвольность доступа подразумевает возможность проведения операций записи и чтения с любым запоминающим элементом ОЗУ в произвольном порядке.

Микросхемы статической памяти – SRAM (Static Access Random Memory) – способны хранить информацию в статическом режиме, т. е. сколь угодно долго при отсутствии регенерации (естественно, при наличии питающего напряжения). ЗЭ статической памяти реализуется на триггерах. ЗЭ микросхем статической памяти более сложен и занимает больше места на кристалле. Однако эта память более быстродействующая. Самая быстродействующая статическая память имеет время доступа менее наносекунды, что позволяет ей работать на частоте системной шины процессора, не требуя от него тактов ожидания.

Рисунок 28.1 – Классификация полупроводниковых интегральных схем памяти

Высокая удельная стоимость хранения информации и энергопотребления, низкая плотность упаковки не позволяют использовать SRAM в качестве основной памяти компьютеров. Микросхемы SRAM используются для построения кэш-памяти (Сashe Memory).

Сейчас все шире используется энергонезависимая память. В начале использовались микросхемы ROM (Read Only Memory – память только для чтения). Информация с таких микросхем считывается, запись информации в такие микросхемы осуществляется на этапе их изготовления. В процессе использования микросхемы информацию в ней изменять нельзя.

Микросхемы PROM (Programmable Read Only Memory) программируются пользователем микросхем на специальном устройстве – программаторе – однократно. Достоинством микросхем PROM является то, что они практически не чувствительны к электромагнитным полям, что обусловливает их применение во встраиваемых микропроцессорных системах управления различными объектами.

Стираемые и многократно перепрограммируемые микросхемы EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) были самыми распространенными. В отличие от PROM, которые программируются («прожигаются») один раз, микросхемы EPROM можно перепрограммировать с помощью специального программатора. Стирание записанной информации осуществляется путем применения ультрафиолетового излучения через специальное окно, имеющееся в корпусе микросхемы. После стирания окно заклеивается с целью защиты записанной информации. Некоторые микросхемы этого типа памяти не имеют окна: стирание информации в них происходит с помощью рентгеновского излучения.

Следующим этапом развития энергонезависимой памяти стали микросхемы EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), в которых информация стирается с помощью электрического сигнала. Однако этот процесс требует значительного расхода энергии, который выражается в необходимости приложения относительно большого напряжения (30 В) и длительности импульса стирания более десятка микросекунд.

Лучшие характеристики имеет EEPROM, впервые разработанная фирмой Intel в 1989 году и получившая название Flash EEPROM (или Flash Memory) – флэш-память. Основные преимущества по сравнению с EEPROM – достаточно высокое быстродействие, малая длительность процесса стирания информации. Микросхемы современной флэш-памяти имеют время доступа при чтении не более 35 нс.

28.1.1 Микросхемы динамической памяти асинхронные

Структурная схема «классических» микросхем памяти DRAM заключается в том, что для получения соответствующей информационной емкости запоминающие элементы организованы в матрицу ЗЭ, состоящую из строк и столбцов. Полный адрес элемента данных включает два компонента – адрес строки (Row Address) и адрес столбца (Column Address). На рисунке 28.2 приведена временная диаграмма работы микросхемы DRAM.

Рисунок 28.2 – Временная диаграмма работы DRAM

Схема работает следующим образом. Когда процессор обращается к памяти для чтения информации, на вход микросхемы ОЕ (Output Enabled) поступает строб вывода данных, затем подается адрес строки и одновременно с ним (или с задержкой) сигнал выбора строки RAS (Row Address Strobe). Дешифратор адреса строки преобразует код адреса строки (часть полного адреса) в сигнал на одном из выходов. Информация считывается со всей строки ЗЭ одновременно и помещается в регистр буфера ввода/вывода.

С незначительной задержкой после сигнала RAS на входы динамической памяти подается адрес столбца (вторая часть полного адреса) и сигнал выбора столбца CAS (Column Address Strobe). По этому сигналу бит выбирается из буфера ввода–вывода динамической памяти в соответствии с адресом столбца.

При считывании данных из ЗЭ происходит ее разрушение (конденсатор разряжается: факт протекания тока разряда и фиксирует усилитель считывания), поэтому производится перезапись считанной информации. Для этого выходы регистра буфера ввода–вывода снова соединяются с общими шинами столбцов, чтобы переписать считанный бит. Если ЗЭ имел заряд, то он снова будет заряжен еще до завершения цикла чтения.

При записи информации в память подается строб записи данных WE (Write Enabled) и информация поступает на соответствующий элемент памяти со входа I/O. Конкретный запоминающий элемент задается адресом столбца и строки.

Если информация заносится в динамическую память, а затем в течение нескольких миллисекунд остается невостребованной, она будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся. Как уже упоминалось, восстановление информации происходит при выполнении каждой операции чтения и записи. Поскольку обращения (чтение или запись) к различным ЗЭ обычно происходят в случайном порядке, то для поддержания сохранности данных применяется регенерация (Memory Refresh) – регулярный циклический перебор ее ЗЭ (обращение к ним) с холостыми циклами. Максимальный период обращения к каждой строке T_RF (refresh time) для гарантированного сохранения информации лежит в пределах 150 мс.

Выше рассмотрена организация и работа микросхемы памяти, имеющая одну линию ввода–вывода. Из такой микросхемы процессор может одновременно считать–записать только один бит данных. Для повышения скорости обмена данными между процессором и памятью разработаны микросхемы, имеющие 4, 8 и 16 линий ввода–вывода. Такие микросхемы имеют соответственно 4, 8 и 16 одинаковых матриц ЗЭ. Поэтому при поступлении на входы микросхемы адреса элемента производится одновременное чтение–запись всех запоминающих элементов, находящихся по данному адресу, но в различных матрицах. В этом случае одновременно считывается–записывается сразу несколько бит информации. Например, если микросхема имеет 8 линий ввода–вывода (8 матриц ЗЭ соответственно), то процессор может считывать–записывать информацию по 8 бит одновременно.