_24Л_Запоминающие устройства. Статические оперативные запоминающие устройства (озу)
 Скачать 85.5 Kb.
|
|
Статические оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) (По материалам интернета) Схемы, в которых в качестве запоминающей ячейки используется параллельный регистр называется статическим ОЗУ, т.к. информация в ней сохраняется все время, пока к микросхеме подключено питание. Примером использования статического ОЗУ в микроконтроллерах служит память данных. Кроме статических ОЗУ существуют динамические, применяемые в современных микросхемах с большим объемом памяти. В отличие от статического ОЗУ в динамическом требуется периодически регенерировать их содержимое, иначе информация будет утеряна. В ОЗУ присутствуют две операции: операция записи и операция чтения. Для записи и чтения информации можно использовать различные шины данных (как это делается в сигнальных процессорах), но чаще используется одна и та же шина данных. Это позволяет экономить выводы микросхем, подключаемых к этой шине и легко осуществлять коммутацию сигналов между различными устройствами. Схема статического ОЗУ приведена на рис. 1. Вход и выход микросхемы в этой схеме объединены при помощи шинного формирователя, который может как принимать данные, так и выводить их во внешнее устройство. Естественно, что схемы реальных ОЗУ будут отличаться от приведенной на этом рисунке. Тем не менее, приведенная схема позволяет понять, как работает реальное ОЗУ. Изображение ОЗУ на принципиальных схемах приведено на рис. 2.  Рис. 1. Структурная схема ОЗУ.  Рис. 2. Изображение ОЗУ на принципиальных схемах. Сигнал записи WR позволяет записать логические уровни, присутствующие на информационных входах во внутреннюю ячейку ОЗУ. Сигнал чтения RD позволяет выдать содержимое внутренней ячейки памяти на информационные выходы микросхемы. В приведенной на рис. 1 схеме невозможно одновременно производить операцию записи и чтения, но обычно это и не нужно. Конкретная ячейка микросхемы выбирается при помощи двоичного кода – адреса ячейки. Объем памяти микросхемы зависит от количества ячеек, содержащихся в ней или, что то же самое, от количества адресных проводов. При большом объеме памяти она реализуется на нескольких кристаллах. Вывод выбора кристалла CS позволяет объединять несколько микросхем для увеличения объема памяти ОЗУ. Такая схема приведена на рис. 3.  Рис. 3. Схема ОЗУ, построенного на нескольких микросхемах памяти. Статические ОЗУ требуют для своего построения большой площади кристалла, поэтому их ёмкость относительно невелика. Статические ОЗУ применяются для построения микроконтроллерных схем из-за простоты построения принципиальной схемы и возможности работать на сколь угодно низких частотах, вплоть до постоянного тока. Кроме того статические ОЗУ применяются для построения КЭШ-памяти в универсальных компьютерах из-за высокого быстродействия статического ОЗУ. Временные диаграммы записи в статическое ОЗУ и чтения из него приведены на рис.4.  Рис. 4. Временная диаграмма обращения к ОЗУ принятая для схем, совместимых со стандартом фирмы INTEL. На рис. 4 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения; WR - сигнал записи; A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние); DI - входная информация, предназначенная для записи в ячейку ОЗУ, расположенную по адресу A1; DO - выходная информация, считанная из ячейки ОЗУ, расположенной по адресу A2.  Рис. 5. Временная диаграмма обращения к ОЗУ принятая для схем, совместимых со стандартом фирмы MOTOROLA. На рис. 5 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке R/W - это сигнал выбора операции записи или чтения; DS - сигнал стробирования данных; A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние); DI - входная информация, предназначенная для записи в ячейку ОЗУ, расположенную по адресу A1; DO - выходная информация, считанная из ячейки ОЗУ, расположенной по адресу A2. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) Масочные ПЗУ Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики и BIOS в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации можно построить на мультиплексорах. Схема такого постоянного запоминающего устройства приведена на рис. 6.  Рис. 6. Схема постоянного запоминающего устройства, построенная на мультиплексоре. В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рис. 7.  Рис. 7. Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах. Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рис.8.  Рис. 8. Схема многоразрядного ПЗУ. В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше - это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в многомерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рис.9:  Рис. 9. Схема масочного постоянного запоминающего устройства. Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рис. 10. Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ОЗУ). Чтение микросхемы производится сигналом RD.  Рис. 10. Обозначение масочного постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах. Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах - программаторах. В этих микросхемах постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход микросхемы подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку будет протекать ток, который испарит эту перемычку и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль. Программируемые ПЗУ Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ). Они могут входить в состав микропроцессоров, ПЛИС и других микросхем или выпускаться в виде отдельных больших интегральных микросхем (БИС). На схемах они изображаются как показано на рис.11. В качестве примера отдельных микросхем ППЗУ можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.  Рис. 11. Обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах. Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново. ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием Эти ПЗУ строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рис. 12:  Рис. 12. Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием. Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния - диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании микросхемы на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет тунельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения на плавающем затворе индуцированный заряд остаётся и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе может храниться десятки лет. Структурная схема постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственно вместо перемычки используется описанная выше ячейка. В репрограммируемых ПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы встраивается окошко из кварцевого стекла. При облучении микросхемы, изолирующие свойства оксида кремния теряются и накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы колеблется в пределах 10 - 30 минут. Количество циклов записи - стирания микросхем находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения. В качестве примера таких микросхем можно назвать микросхемы 573 серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В этих микросхемах чаще всего хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. Репрограммируемые ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рис. 13.  Рис. 13. Обозначение репрограммируемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах. Электрически стираемые ПЗУ Так так корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи - стирания привели к поиску способов стирания информации из ППЗУ электрическим способом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей ячейки в них используются ячейки аналогичные РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи - стирания для этих микросхем достигает 1000000 и более. Время стирания ячейки памяти в таких микросхемах значительно уменьшилось. Тем не менее время стирания существенно больше времени считывания, поэтому такие ППЗУ записывают данные значительно медленнее чем считывают. Электрически стираемые ППЗУ дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи - стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ - хранение данных, которые не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3, 558РР и зарубежные микросхемы серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ обозначаются на схемах как показано на рис. 14.  Рис. 14. Обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах. В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних ножек микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов - SPI порт и I2C порт (микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX. При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке 15.  Рис. 15. Временная диаграмма чтения информации из ПЗУ. На рис. 15 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ. |