Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Запам'ятовуючі пристрої цифрових систем
Основні відомості, класифікація та основні параметри напівпровідникових запам’ятовуючих пристроїв (ЗП).
ЗП використовують для зберігання інформації та обміну її з іншими ЗП. Мікросхеми пам’яті у загальному обсязі випуска ІС займають біля 40% та відіграють важливу роль у багатьох системах різного значення.
Мікросхеми і системи пам’яті постійно удосконалюються як в галузі схемотехніки так і в галузі розвитку нових архітектур. В теперішній час створені і використовуються десятки різних типів ЗП.
Функція пам’яті.
Пам’ять сучасних комп’ютерів класифікують за функціональним призначенням, видом носія інформації, способом організації доступу до інформації.
За функціональним призначенням пам’ять комп’ютерів поділяється на дві основні групи: зовнішню і внутрішню.
Зовнішні ЗП призначені для тривалого зберігання великих масивів інформації з великою ємністю до гігабайт і більше та малою швидкодією (диски, оптичні диски та інше).
Внутрішні ЗП призначені для зберігання програм і даних, які виконуються в поточний момент часу. До внутрішньої пам’яті відносяться:
(ОЗП та ПЗП утворюють основну пам’ять комп’ютера);
За фізичним принципом побудови пам’ять комп’ютера буває:
Напівпровідникові ВІС ЗП характеризуються:
Елементний базис пам’яті сучасних комп’ютерів складають мікросхеми різного ступеня інтеграції. Основою будь-якого ЗП є елемент пам’яті (ЕП) статичного або динамічного типу, призначений для записування, зберігання і зчитування одного біта інформації.
Сукупність ЕП, які утворюють n-розрядне слово, називають коміркою пам’яті (КП).
Найважливіші параметри ЗП
Пам’ять характеризується інформаційною ємністю, фізичним об’ємом, питомою ємністю і вартістю, шириною вибірки, споживаною потужністю і швидкодією.
Інформаційна ємність (Е) являє собою максимальний об’єм даних, який може одночасно зберігатися в пам’яті. Ємність виражається в бітах, байтах, кілобайтах (210 байт = 1 Кбайт), мегабайтах (210 Кбайт = 1 Мбайт) і гігабайтах (210 Мбайт = 1 Гбайт) (210 = 1024).
Організація ЗП – добуток числа зберігаємих слів на їх розрядність. Потрібно відмітити, що при одній і тій же інформаційній ємності, організація може бути різною.
Наприклад. Інформаційна ємність Е = 1024 біт.
Організація: 1024 х 1 біт;
512 х 2 біт;
254 х 4 біт;
128 х 8 біт;
таким чином організація є самостійним важливим параметром і записується парою чисел.
Питома ємність визначається відношенням інформаційної ємності ЗП до його фізичного об’єму.
Ширина вибірки подається числом розрядів, які записуються в ЗП або зчитуються з нього за одне звернення.
Споживану потужність – задають або для всього ЗП, або на зберігання одного біта інформації.
Швидкодія ЗП вимірюється часом записування і зчитування та тривалістю відповідних їм циклів.
Час записування tWR – це інтервал між моментами появи керуючого сигналу записування і установленням КП в стан, який задають вхідні сигнали.
Час зчитування – це інтервал між моментами появи керуючого сигналу читання tRD і даних на виході пам’яті. Мінімально допустимий інтервал між послідовними читаннями tCYR і записуваннями tCYW створює відповідний цикл.
Тривалість циклів може перевищувати час читання чи записування, оскільки після цих операцій необхідна додаткова затримка для встановлення початкового стану пам’яті.
У наш час використовують різні типи ЗП, які розрізняються принципами побудови та своїми характеристиками.
Вхідні та вихідні сигнали мікросхеми пам’яті
Мікросхеми ОП (оперативної пам’яті) мають типові виводи, на яких діють визначені адресні, інформаційні та керуючі сигнали.
|
а) статична пам’ять |
б) динамічна пам’ять |
Рис.1
Призначення виводів і сигналів:
- (Column Address Strobe) - строб. сигнал виборки Ау
Особливістю роботи динамічних ЗП є мультиплексування ША (рис.1 б). Адреса, наприклад, А = А15, А14, … А0 ділиться на старшу напівадресу Ах = А15, … А8 і молодшу Ау = А7, А6, … А0. Напівадреси подаються на одні й ті ж входи адреси мікросхеми пам’яті.Такий спосіб адресації зменшує число виводів корпусу ІМС.
Класифікація сучасних ЗП
Для класифікації ЗП, рис.3, найважливішим признаком являється спосіб доступу до даних. У напівпровідникових ЗП виділяють адресні, послідовні й асоціативні способи доступу до даних (рис. 3).
При адресному доступі адресний код указує номер комірки пам′яті, з якою має проводитися обмін. Усі комірки в момент звернення рівно доступні. До адресних ЗП відносяться:
Синхронні
(конвеєрні)
FPM
EDORAM
BEDORAM
MDRAM
SDRAM
DRDRAM
CDRAM
Асоціативні
Повністю
асоціативні
Наборно-асоціативні
Файлові
Циклічні
FIFO
Послідовні
Стекові
Адресні
RAM
Напівпровідникові ЗП
ROM
ЕРROM
ROM (М)
РROM
ЕЕРROM
FLASH
Динамічні
Статичні
Асинхронні
Тактовані
Синхронні
(конвеєрні)
Стандартні
Квазістатичні
З прямим розміщенням
RDRAM
Рис.3
Оперативні ЗП зберігають дані, необхідні при виконанні поточної програми; вони можуть бути змінені в будь-який момент часу. Оперативні ЗП в більшості є енергозалежні. У постійних ЗП вміст комірок або взагалі не змінюється, або змінюється рідко в спеціональних режимах.
Запам′ятовуючі пристрої RAM поділяються на статичні SRAM (Static RAM) і динамічні DRAM (Dynamic RAM). У статичних RAM елементами пам′яті є тригери. Вони зберігають свій стан, поки схема має напругу живлення і нові дані не записуються. У динамічних RAM дані зберігаються у вигляді зарядів конденсаторів, створюваних компонентами МОН-транзисторів. Самозаряд конденсаторів веде до руйнування даних, тому вони періодично (кожні 2-30 мс) мають регенеруватися. Але щільність упакування динамічних ЕП перевищує в 4 - 5 разів такий же показник для статичних RAM. Регенерація даних здійснюється за допомогою спеціальних контролерів. Розроблені також DRAM із внутрішніми схемами регенерації; такі ЗП називаються квазістатичними.
Статичні ОЗП розподіляють на такі типи:
Динамічні ЗП характеризуються найбільшою інформаційною ємністю і невисокою вартістю, тому вони використовуються як основна пам′ять комп′ютерів.
Статичні ЗП в 4 – 5 разів дорожчі динамічних і приблизно у стільки ж і приблизно у стільки разів менша їхня інформаційна ємність. Їхнім достоїнством є висока швидкодія, а типовою областю застосування – схеми кеш-пам′яті.
Основні структури запам’ятовуючих пристроїв
Для статичних ОЗП та пам’яті типу ROM характерні структури 2D, 3D, 2DM та блочні структури на їх основі, рис.4.
Структуру пам’яті визначає спосіб розподілу КП між адресними та розрядними лініями. За цією ознакою виділяють такі структури пам’яті: 2D, 3D, 2,5D і модифіковану 2DМ (D від Dimention - розмірність).
а б в г
Рис. 4 Узагальнене поняття структури пам’яті: а - 2D; б - 3D;
в – 2,5D; г -.
Кожна матриця (М) в пристрої пам’яті має систему адресних і розрядних ліній (провідників). Адресні (словникові) лінії служать для виділення за адресою будь-якої комірки пам’яті (КП). Сукупність різних адресних кодів утворює адресний простір пам’яті. Розрядні лінії записування (ЛЗП) служать для введення в кожний розряд вибраної КП цифри 0 або 1 відповідно до вхідної інформації. Розрядні лінії зчитування (ЛЗЧ) служать для знімання інформації, яка зберігається, з розряду вибраної КП. Часто використовують спільну лінію записування-зчитування (ЛЗЗ). Адресні та розрядні лінії разом називаються лініями вибірки. Якщо довжина адресного коду дорівнює k, то кількість слів N, які зберігаються в пам’яті як окремі одиниці даних, визначаються із співвідношення N = 2k.
Структура типа 2D використовується лише в ПЗ малої інформаційної ємності, так як при рості ємності проявляється декілька її недоліків, найбільш явним із котрих являється надмірне ускладнення дешифратора адреси (кількість виходів дешифратора рівно числу зберігаючих слів).
У системі 2D кожний ЕП має одну адресну лінію Аj (одне D), лінії записування ЛЗПj і зчитування ЛЗЧj, які спільно утворюють друге D (рис. 4, а).
Структура 3D дозволяє різко спростити дешифрування адреси за допомогою двухкоординатної вибірки запам’ятовуючих елементів.
У структурі 3D адресу розподіляють на дві частини: старша Ах визначає адреси рядків, а молодша Ау – адреси стовпців; разом вони утворюють 2D. Лінії записування і зчитування утворюють третє D (рис. 4, б). Структури типу 3D мають також досить обмежене застосування, оскільки в структурах типу 2DМ поєднуються переваги обох розглянутих структур - спрощується дешифрація адреси і не потрібні запам'ятовуючі елементи з двокоординатною вибіркою. У структурі 2,5D одна з ЛЗП або ЛЗЧ суміщена з напівадресою Ахі або Ауj (рис. 4, в). В структурах типа 2DМ поєднуються переваги структур 2D, 3D – спрощується дешифрація адреси і не потребується ЕП з двухкоординатною вибіркою. У модифікованій системі 2DM використовується спільна лінія ЛЗЗJ, яка поєднується з адресною лінією Ауі. Структури динамічних ОЗП мають свою специфіку.
Мікросхеми пам’яті
Основні типи ЗП та їх умовне позначення наведені в табл.1.
Табл.1.
|
Назва ЗП |
Позначення ЗП |
|
|
За ЕСКД |
Види ІС |
|
|
Оперативні ЗП (ОЗП) |
RAM – Random Access Memory |
РУ |
|
Постійні ЗП (ПЗП)
|
РЕ РТ |
|
|
Репрограмовані ПЗП (РПЗП)
|
РФ РР |
|
|
Асоціативні ЗП (АЗП) |
CAM |
РА |
|
Інші ЗП |
РП |
Приклад. Мікросхеми оперативних запам’ятовуючих пристроїв
КР541РУ2А Статичний оперативний ЗП на основі інжекційних структур
Інформаційна ємність 4096 біт
Організація 1024 слів х 4 розряда
Напруга живлення 5В ± 5%
Сумісність по входу й виходу із ТТЛ-схемами
Таблиця істинності мікросхеми К541РУ2А К541РУ2,
Таблиця 2 К541РУ2, К541РУ2А
|
CS |
A0…A9 |
DIO0…DIO3 |
Режим роботи |
|
|
1 0 0 0 |
Х 0 0 1 |
Х А А А |
Roff 0 1 Вихідні дані в прямому коді |
Зберігання Запис 0 Запис 1 Зчитування |
Рис. 5
Призначення виводів мікросхем КР 541РУ2А
Таблиця 3
|
Виводи |
Призначення |
Позначення |
|
1…7, 15 16, 17 11…14 8 10 18 9 |
Адресні входи Вхід-вихід даних Вибір мікросхеми Сигнал запис – зчитування Напруга живлення Загальний |
А6…А3, А0…A2, А9…А7 DIO3…DIO0 UCC 0B |
Загальна характеристика постійної пам’яті
Постійна пам’ять призначена для збереження програм, констант, табличних функцій та іншої інформації, яка записується заздалегідь і не змінюється в процесі поточної роботи комп’ютера. Вона застосовується також у перетворювачах кодів, знакогенераторах, у мікропрограмних пристроях керування. Загальним для всіх мікросхем постійної пам’яті є енергонезалежність, словникова організація і використання режиму зчитування як основного.
Мікросхеми постійної пам’яті розділяються на такі групи:
Мікросхеми постійних запам’ятовуючих пристроїв
КР568РЕ2 Постійні масочні ЗП на п-МОП-структурах
Інформаційна ємність 65536 біт
Організація 8192 слів х Х8 розрядів
Напруга живлення UCC 1 = 5 B ± 5 %; UCC 2 = 12 B ± 5 %
Сумісність по входу й виходу із ТТЛ-схемами
Таблиця істинності мікросхеми КР568РЕ2
Таблиця 6
|
CS |
А0…А12 |
DO0…DO7 |
Режим роботи |
|
1 0 |
Х А |
Roff Дані в прямому коді |
Зберігання Зчитування |
|
КР568РЕ2 Рис. 7 |
Таблиця 7. Призначення виводів мікросхеми КР568РЕ2
|
Закріплення матеріалу
Дати відповіді на запитання:
Cкільки різних комірок пам'яті він може містити? Підкреслити відповідь та пояснити письмово.
а) 1238576 ___________________________________________________
в) 1048576 ___________________________________________________
с) 1048506 ___________________________________________________
д) 1048376 ___________________________________________________
е) 1238376 ___________________________________________________
а) п’ять ___________________________________________________
в) шість ___________________________________________________
с) чотири ____________________________________________________
д) вісім ____________________________________________________
е) сім ____________________________________________________
а) F00F0 _____________________________________________________
в) 000FF _____________________________________________________
с) 00FFF _____________________________________________________
д) F00FF ______________________________________________________
е) 0FFFF ______________________________________________________
Модуль статичної пам’яті
Умовне графічне зображення мікросхем SRAM серій К132РУ9 та К541РУ2 показане на рис.12.
Побудова модуля пам’яті з організацією 1 К х 16 біт на основі чотирьох мікросхем К132РУ9 показана на рис. 12.
Для побудови даного модуля пам’яті необхідно:
К132РУ9, К541РУ2
а б
Рис. 12. Умовні графічні зображення мікросхем
SRAM типу К132РУ9 та К541РУ2.
а – повне; б – спрощене
Розглянутий спосіб побудови блоку пам’яті з більшою розрядністю називають розширенням по горизонталі.
Американська електронна промисловість випускає мікросхеми типу SRAM з організацією 8 К х 8, 16 К х 8, 32 К х 8, 64 К х 8, 128 К х 8 біт та часом доступу 8-20 нс.
Рис. 13 Побудова модуля пам’яті 1 К х 16 біт
Модуль динамічної пам’яті
Динамічні ЗП вітчизняного виробництва (1990р.) в основному представлені мікросхемами К565РУ1 – К565РУ9, які характеризуються такими параметрами:
Покоління мікросхем динамічної пам’яті змінюються через п’ять років. Недавно група фірм ІВМ, Siemens та інші представили свої ультра-ВІС пам’яті з параметрами:
Модуль динамічної пам’яті ємністю 64 Мбіт, побудований на чотирьох мікросхемах типу 2100 фірми Motorola з організацією 4 М х 4 біт, показаний на рис. 14.
Рис. 14 Схема модуля динамічної пам’яті
Довжина адресного коду k = 22. Код поділений на дві рівні частини, які подаються мультиплексним способом одночасно на адресні входи мікросхем. По стробу подається старша частина адреси, по стробу - молодша.
Сигнал дозволяє записувати інформацію, а дозволяє записування вихідного буфера при читанні. Інформаційні входи DI і виходи DO об’єднані у спільну шину DIO. Мікросхему випускають у корпусі з 26 виводами.
Задачі для самоконтролю
1. Припустимо, що ЦПП робить операцію читання за адресою 06АЗН. З якого модуля будуть прочитані дані? (рис.15)
Рис. 15
а) адрес не відповідає ні одному модулю
в) модуль 3
с) модуль 0
д) модуль 1
е) модуль 2
2. У який модуль пам'яті (рис.15) будуть записані дані, якщо центральний процесор виконує операцію запису за адресою 1С65Н?
а) модуль 1
в) модуль 3
с) модуль 2
д) дані не будуть прийняті не одним модулем ОЗП
е) модуль 0