Дипломная (вкр): Исследование принципа работы постоянных запоминающих устройств

Так как в современном компьютере применяются микросхемы, содержащие сотни тысяч ячеек, то для упрощения управления запоминающие ячейки группируются в квадратные матрицы. Для обращения к конкретной ячейке памяти используется адрес, формируемый из номера строки и столбца (рис. 13). Как только на шинах столбцов и строк будет установлен правильный адрес нужной ячейки, на выходе матрицы появится напряжение, соответствующее информации, записанной в ячейку памяти. Заметим, что такой принцип адресации используется и для чтения или записи байта в оперативной памяти, но при этом за каждый разряд байта или слова отвечает своя запоминающая матрица, которая, чаще всего, находится в отдельной микросхеме.

Для записи информации в конкретную ячейку микросхемы предназначен всего один вывод. Когда на шине адреса установится нужный адрес ячейки памяти, то, хотя сигнал записи будет подан на все ячейки, запись произойдет только в ту ячейку, которая будет в данный момент выбрана (адресована).

Рисунок 12. Схема ячейки памяти КМОП-микросхемы

Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице хорошо иллюстрируется на примере ферритовой памяти (рис. 14). На заре компьютерной эры она представляла собой небольшие ферритовые колечки, находящиеся в узелках проволочной сетки. Чтобы сформировать сигнал чтения и записи, через все колечки продевался отдельный провод. Заметим, что для записи "1" и "0" использовалось свойство ферромагнетиков перемагничи-ваться под действием электрического тока. Самые маленькие ферритовые колечки были диаметром всего около 1 мм. С появлением полупроводниковых микросхем памяти о ферритовой памяти надолго забыли, но совсем недавно появились микросхемы FeRAM, в которых сочетается кремниевая технология производства микросхем и свойство ферромагнитных материалов изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного магнитного поля.

Процессоры имеют шину данных, кратную 8 разрядам, например, 8, 16, 32 или 64. В старых персональных компьютерах электронная память собиралась из микросхем, имеющих, например 64, 128, 256 и т. д. ячеек. На системных платах персональных компьютеров IBM PC можно было увидеть ряды микросхем памяти, занимающих там слишком много места. Чтобы уменьшить количество микросхем и упростить их электрические соединения друг с другом, на одном кремниевом кристалле стали создавать несколько отдельных матриц запоминающих ячеек. Наиболее популярными оказались варианты, когда микросхема памяти имеет разрядность равную 4 и 8, что позволило уменьшить количество корпусов на плате.

Рисунок 13

В документации и прайс-листах на микросхемы памяти всегда указывается не только общий ее объем, но и как организованы ячейки памяти. Например, ниже приводятся строчки из прайс-листа на микросхемы динамической памяти DDR и SDRAM:

·              DDR 256Mb, 32Мх8, 266MHz;

·              DDR 128Mb, 1бМх8, 266MHz;

·              SDRAM 256Mb, 32Mx8, 133MHz;

·              SDRAM 128Mb, 16Mx8, 133MHz.

Рисунок 14. Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице

Заметьте, что в начале идет условное обозначения типа микросхемы, а в конце указывается максимальная тактовая частота шины, на которой они могут работать. Объем памяти в микросхеме указывается в двух вариантах: 256Mb - общее количество ячеек памяти в микросхеме; 32Мх8 - это обозначение показывает, что на каждый разряд приходится по 32 Мбайт (также используется термин "глубина адресного пространства", от англ, address depth). Если умножить 32 Мбайт на 8, то получается 256 Мбайт

.1.3 Обзор микросхем ПЗУ

Постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) динамического типа

Микросхемы масочных ПЗУ

Микросхемы ПЗУ по способу программирования, т. е занесения в них информации, подразделяют на три группы ПЗУ, однократно программируемые изготовителем по способу заказного фотошаблона (маски), масочные ПЗУ (ПЗУМ, ROM), ПЗУ, однократно программируемые пользователем по способу пережигания плавких перемычек на кристалле (ППЗУ, PROM), ПЗУ, многократно программируемые пользователем, репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ, EPROM).

Рисунок 15. Устройство микросхемы масочного ПЗУ на биполярных структурах.

Рисунок 16. Элементы памяти ПЗУ на МДП транзисторах с программируемым пороговым напряжением

Общим свойством всех микросхем ПЗУ являются их многоразрядная (словарная) организация, режим считывания как основной режим работы и энергонезависимость. Вместе с тем у них есть и существенные различия в способе программирования, режимах считывания, в обращении с ними при применении. Поэтому целесообразно рассмотреть каждую группу микросхем ПЗУ отдельно.

Микросхемы ПЗУМ изготавливают по биполярной ТТЛ, ТТЛШ-технологии, n-канальной, p-канальной и КМДП-технологиям. Принцип построения у большинства микросхем группы ПЗУМ одинаков и может быть представлен структурой микросхем К155РЕ21-KI55PE24 (рис. 15) Основными элементами структурной схемы являются: матрица элементов памяти, дешифраторы строк DCX и столбцов DCY, селекторы (ключи выбора столбцов), адресный формирователь, усилители считывания Матрица состоит из массива ЭП, каждый из которых размещен на пересечении строки и столбца. Элемент памяти ПЗУМ представляет собой резистивную или полупроводниковую (диодную, транзисторную) перемычку между строкой и столбцом. Информацию в матрицу заносят в процессе изготовления микросхемы и осуществляют эту операцию в основном двумя разными технологическими способами.

Среди микросхем ПЗУМ разных серий (табл.1) многие имеют стандартные прошивки. Например, в микросхемы ПЗУМ К155РЕ21 - К.155РЕ24 записаны соответственно коды букв русского РЕ21, латинского РЕ22 алфавитов, арифметических знаков и цифр РЕ23, дополнительных знаков РЕ24. В совокупности эти микросхемы образуют генератор символов на 96 знаков формата 7X5.

Одна из микросхем серии КР555РЕ4 содержит прошивку 160 символов, соответствующих 8-разрядному коду обмена информации КОИ 2-8 с форматом знаков 7X11 Прошивку кодов алфавитно-цифровых символов содержит микросхема КМШ56РЕ2.

Значительный перечень модификаций со стандартными прошивками имеет микросхема К505РЕЗ.

Две совместно применяемые микросхемы К505РЕЗ-002, К.505РЕЗ-003 содержат коды букв русского и латинского алфавитов, цифр, арифметических и дополнительных знаков и используются как генератор 96 символов формата 7X9 с горизонтальной разверткой знаков.

Таблица 1. Микросхемы масочных ПЗУ

Модификации 0059, 0060 имеют то* же назначение, но генерируют знаки формата 5X7 Модификации 0040-0049 содержат прошивки коэффициентов для быстрого преобразования Фурье. Ряд модификаций содержит прошивку функции синуса от 0 до 90° с дискретностью 10' (0051, 0052), от 0 до 45° (0068, 0069) и от 45 до 90° (0070,. 0071) с дискретностью 5'. Модификации 0080, 0081 содержат прошивку функции Y = X" при Х = 1 ... 128.

Модификации микросхемы КР568РЕ2 содержат стандартные прошивки символов международного телеграфного кода № 2 форматов 5X7 и 7X9 (0001), символов русского и латинского алфавитов, кодовых таблиц, цифр и арифметических знаков (0003, 0Q11), функции синуса от 0 до 90° (0309), ассемблера (0303-0306), редактора текстов (0301, 0302).

Микросхема КР568РЕ2-0001 имеет прошивку международных телеграфных кодов № 2 и 5, а КР568РЕЗ-0002 - редактора текстов для ассемблера.

Модификации микросхемы КР1610PE1 -0100-КР1610PE1 -0107 содержат прошивки программного обеспечения микро-ЭВМ «Искра».

Названные микросхемы ПЗУМ со стандартными прошивками следует рассматривать как примеры, число таких микросхем и их модификаций постоянно растет.

Для программирования микросхем ПЗУМ по заказу пользователя в технических условиях предусмотрена форма заказа.

Микросхемы ПЗУМ работают в режимах: хранения (невыборки) и считывания. Для считывания информации необходимо подать код адреса и разрешающие сигналы управления Назначение выводов микросхем ПЗУМ указано на рис. 17

Сигналы управления можно подавать уровнем 1, если вход CS прямой (рис. 17, б), или 0^ если вход инверсный (рис. 17, г)

Многие микросхемы имеют несколько входов управления (рис. 17, а), обычно связанных определенным логическим оператором. В таких микросхемах необходимо подавать на управляющие входы определенную комбинацию сигналов, например 00 (рис. 17, а) или 110 (рис 17, в), чтобы сформировать условие разрешения считывания

Основным динамическим параметром микросхем ПЗУМ является время выборки адреса. При необходимости стробировать выходные сигналы на управляющие входы CS следует подавать импульсы после поступления кода адреса. В таком случае в расчет времени считывания надо принимать время установления сигнала CS относительно адреса и время выбора. У микросхемы КР1610РЕ1 предусмотрен дополнительный сигнал ОЕ для управления выходом.

Выходные сигналы у всех микросхем ПЗУМ имеют ТТЛ-уровни. Выходы построены в основном по схеме с тремя состояниями.

Рисунок 17. Микросхемы масочных ПЗУ

Для снижения потребляемой мощности некоторые микросхемы, например К.596РЕ1, допускают применение режима импульсного питания, при котором питание на микросхему подают только при считывании информации.

Устойчивая тенденция к функциональному усложнению БИС памяти проявляется и в микросхемах ПЗУМ: в их структуру встраивают интерфейсные узлы для сопряжения со стандартной магистралью и для объединения микросхем в модуль ПЗУ без дополнительных дешифраторов К1801РЕ1. К1809РЕ1, устройства для самоконтроля и исправления ошибок КА596РЕ2, К563РЕ2.

Микросхемы К1801 РЕ 1 и К1809РЕ1 имеют много общего в назначении, устройстве и режимах работы. Назначение выводов микросхем показано на рис.17, и. Обе микросхемы предназначены для работы в составе аппаратуры со стандартной системной магистралью для микроЭВМ: встроенное в их структуру устройство управления (контроллер) позволяет подключать микросхемы непосредственно к магистрали. Как микросхемы ПЗУМ они содержат матрицу емкостью 65384 ЭП, регистры и дешифраторы кода адреса, селекторы, имеют организацию 4КХ16 бит Информация заносится по картам заказа изготовителем.

В структуру встроены также 3-разрядный регистр с «зашитым» кодом адреса микросхемы и схема сравнения для выбора микросхемы в магистрали. Наличие встроенного устройства адресации позволяет включать в магистраль до восьми микросхем одновременно без дополнительных устройств сопряжения

Особенностью микросхем, обусловленной их назначением, является совмещение адресных входов Al-A15 и выходов данных DOo-DO15. Выходные формирователи выполнены по схеме на три состояния. Три старших разряда кода адреса Ац-A13 предназначены для выбора микросхемы, остальные разряды Ats- At для выборки считываемого слова. Разрешение на прием основного адреса формирует схема сравнения по результату сопоставления принятого и «зашитого» адресов микросхемы. Принятый адрес фиксируется на адресном регистре, а входы-выходы переходят в третье состояние.

Система управляющих сигналов включает: DIN - разрешение чтения данных из ОЗУ (иначе RD); SYNC - синхронизация

обмена (иначе СЕ -разрешение- обращения), CS - выбор микросхемы, RPLY - выходной сигнал готовности данных

сопровождает информацию DOo- DO15, считываемую в магистраль.

Режим хранения обеспечивается сигналами SYNC = 1 или CS = 1. В режиме считывания время обращения к микросхеме определяет сигнал SYNC =0. Кроме него поступают сигналы кода адреса на выводы ADOi-ADO15 и CS =0. При совпадении адреса ADO15-ADO13 с адресом микросхемы во входной регистр "поступает адрес считываемого слова, а выводы ADO,-ADO15 переходят в третье состояние. Считанное слово из матрицы записывается в выходной регистр данных и по сигналу DIN =0 появляется на выходах РО0-РО[5 и передается в магистраль. Одновременно на выходе RPLY формируется сигнал 0. Выходные регистры возвращаются в исходное состояние после снятия сигнала SYNC.

В режиме считывания сигналы интерфейса и назначения выводов микросхем К1801РЕ1, К1809РЕ1, К573РФЗ, К1809РУ1 совпадают. Поэтому названные микросхемы можно совместно применять для построения ЗУ различной емкости и назначения для различных модификаций микроЭВМ. Совместимость микросхем можно использовать и на этапе отладки программного обеспечения управляющих и вычислительных устройств: отлаженную с помощью РПЗУ К573РФЗ программу затем можно переписать («зашить») в KI809PE1 или К1801РЕ1.

Микросхемы ПЗУМ КА596РЕ2 (64КХ16 бит) и К563РЕ2 (32КХ8 бит) имеют встроенные схемы самоконтроля и исправления одиночных ошибок с помощью кода Хэмминга. В случае обнаружения и исправления ошибки в. считываемом коде на выходе К1 (рис. 17, з) появляется сигнал - логическая 1. Можно корректор выключить сигналом К2 = 0. В этом режиме данные из матрицы будут проходить на выход, минуя схему исправления ошибок.

В структуре указанных ПЗУМ имеется также дополнительная матрица для тестовых комбинаций и другой информации. Емкость дополнительной матрицы равна 64X16 бит у микросхемы КА596РЕ2 и- 32X8 бит у микросхемы К563РЕ2. Адресацию ячеек этой матрицы осуществляют частью разрядов адресного кода: А0-А5 у КА596РЕ2 и AQ-А4, Аш, Ап у К563РЕ2 при наличии разрешающего сигнала КЗ = I. При отсутствии разрешения по входу КЗ дополнительная матрица для обращения закрыта.

Сопоставляя микросхемы серий К596, выполненные по n-канальной МДП технологии, и К563, выполненной по КМДП технологии, по быстродействию и энергопотреблению и учитывая их аналогию в части функционального усложнения, можно сделать вывод о преимуществе- микросхем КМДП и Перспективности серии К563 К аналогичному заключению можно прийти сравнив микросхемы КА1603РЕ1 (КМДП) и КР1610РЕ1 (p-МДП) Обе указанные микросхемы в режиме считывания взаимозаменяемы' в аппаратуре с микросхемами РПЗУ К573РФ2 и К573РФ5. Следовательно, отлаженную с помощью К573РФ2 или К573РФ5 программу можно переписать в микросхемы ПЗУМ и заменить ими РПЗУ на печатных платах без каких-либо переделок посадочных мест

Постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) статического типа

Микросхемы ППЗУ

Микросхемы программируемых ПЗУ по принципу пост роения и функционирования аналогичны масочным ПЗУ, но имеют существенное отличие в том, что допускают программирование на месте своего применения пользователем Операция программирования заключается в разрушении (пережигании) части плавких перемычек на поверхности кристалла импульсами тока, амплитудой 30 -50 мА Технические средства для выполнения этой операции достаточно просты и могут быть построены самим пользователем. Это обстоятельство в сочетании с низкой стоимостью и доступностью микросхем ППЗУ обусловило их широкое распространение в радиолюбительской практике.

Выпускаемые отечественной промышленностью микросхемы ППЗУ (табл 2, рис 18) в большинстве своем изготовлены по ТТЛШ технологии, и среди них преобладающее положение $анимает серия К556 Функциональный состав серии включает микросхемы емкостью до 64К бит со словарной 4 и 8-разряд ной организацией с временем выборки 45 85 не и уровнем по требляемой мощности от 0,6 до 1 Вт

Небольшая часть микросхем ППЗУ выполнена по другим тех нологиям ИИЛ (К541), л-МДП (К565), ЭСЛ (К500, KJ500), КМДП (К1623) Микросхемы серии К1623 отличаются самым низким уровнем энергопотребления, но по быстродействию они существенно уступают микросхемам К556 серии.

Для микросхем ППЗУ всех серий, кроме К500, К1500, К565, характерны такие свойства, как единое напряжение питания 5 В, наличие входных и выходных ТТЛ уровней напряжения логического 0 (0,4 В) и логической 1 (2,4 В) и,, следовательно, полная совместимость микросхем, однотипные выходы: либо с тремя состояниями, либо с открытым коллектором. Микросхемы с выходами ТТЛ-ОК требуют подключения к ним внешних резисторов и источника напряжения питания.