Запоминающие элементы полупроводниковых ЗУ

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 15Следующая ⇒

По типу используемого для хранения информации запоминающего элемента все ОЗУ подразделяются на статические (SRAM – StaticRAM) и динамические (DRAM- DinamicRAM).

В статических ОЗУ каждую ячейку памяти образует запоминающий элемент в виде бистабильной схемы (схема сдвумя устойчивыми состояниями), называемой триггером. В БИС ОЗУ, построенных на МОП (метал – окисел - ролупроводник) – технологии, такие схемы выполнены на шести МОП транзисторах (рис. 5.5. а) с обязательным использованием внешнего источника питания (Е_пит ). В них транзисторы Т3 иТ4 выполняют роль нагрузочных резисторов, транзисторы Т1 и Т 2 всегда (кроме переключения) находятся в противоположных состояниях. Когда один из транзисторов (например, Т2) открыт (проводит ток), то с него на другой транзистор (Т1) поступает запирающий потенциал. В свою очередь с закрытого транзистора снимается потенциал, поддерживающий проводящее состояние открытого транзистора. В таком устойчивом состоянии (которому при закрытом Т1 присвоено значение 0) схема находится до тех пор, пока с помощью отпирающего сигнала «Выбор элемента» не откроются транзисторы Т5, Т6 и через них на Т1 и Т2 одновременно не поступят с линий (W/R0)₁ и (W/R)₂ открывающий («1») и запирающий («0») сигналы. После переключения схема опять будет находиться в устойчивом состоянии(которому присвоено значение 1) до нового разрешения (единичный сигнал «Выбор элемента») и записи ноля (0 на линии (W/R0)₁ и 1 на линии (W/R)_2.Если же на элемент, сохраняющий 1, будет подан набор сигналов, соответствующий записи 1, то его состояние не изменится.

Рис. 5.5. Запоминающие элементы: а) статического ОЗУ; б) динамического ОЗУ

Современные запоминающие устройства статического типа с произвольным доступом (SRAM) отличаются высоким быстродействием. В ЭВМ они используются в качестве кеш памяти. Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью, служащую для частиной компенсации разницы в скорости процессора и основной памятью: в неё заносятся наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, её содержимое параллельно копируется в кеш, и в случае повторного обращения может быть с гораздо большей скоростью из неё извлечено. При записи в память информация попадает в кеш и одновременно копируется в память (схема WriteThrough – прямая или сквозная запись) или копируется через некоторое время (схема WriteBack – обратная запись). При обратной записи, называемой также буферизированной сквозной записью, информация копируется в память в первом свободном такте, а при отложенной (DelayedWrite) – когда для помещения в кеш нового значения не оказывается свободной области, при этом в основное ОЗУ вытесняются сравнительно редко используемые данные. Вторая схема более эффективна, но и более сложна за счет необходимости поддержания соответствия содержимого кеша и основной памяти.

Динамический запоминающий элемент можно построить на трех МОП – транзистрах (рис. 5.5 б). в нем информация запоминается на паразитной емкости, всегда существующей между электродами транзистора (на рис. 5.5 б эта емкость показана в виде отдельного конденсатора С_н ). Хранение данных в таком запоминающем элементе связано с состоянием проводимости Т2, которое определяется зарядом конденсатора. Если заряд конденсатор обеспечивает достаточный открывающий потенциаль, то Т2 открыт. Это состояние не является самоподдерживающимся, поскольку конденсатор постоянно саморазряжается. Если же заряд конденсатора мал или отсутствует, то Т2 закрыт и это состояние является самоподдерживающимся. Кроме Т2, в каждом запоминающем элементе присутствуют два транзистора для подключения элемента к линиям «Запись» и «Чтение». Из-за разряда запоминающих емкостей, вызванного током утечки, необходимо периодически подзаряжать емкости, хранящие заряд. Упрощения выполнения такой задачи можно добиться организацией перезаписи содержимого каждого элемента. Тогда, связывая между собой линии «Чтение» и «Запись» каждого столбца и подавая периодически сигналы на линии выбора строк (опрашивая по линии «Выбор элемента») все элементы, расположенные в этой строке, обеспечивают перезапись каждого из элементовстроки (содержимое, появившееся на линии «Чтение» какого-либо столбца, поступает через формирователь на линию «Запись» этого столбца и далее в тот же элемент, с которого считывалась информация). Такой процесс называется регенерацией памяти(Refresh). Для регенерации всех элементов памяти модули динамической памяти снабжают логической схемой регенерации, которая реализует наиболее приемлемую стратегию такого процесса. В простейшем случае схема регенерции может выработать и подать на дешифраторы строк БИС адрес первой строки, а также сигналы «Выбор кристалла» всех БИС, т.е. одновременно регенерировать элементы, расположенные в первыхстроках всех БИС модуля, затем выработать аналогичные сигналы обращения ко второй строке всех БИС и т.д., пока не будут регенерированы все строки (все элементы памяти). На регенерацию памяти затрачивается не более1 – 2% всего времени ее работы. Однако в процессе регенерации память недоступна для других устройств, и поэтому, например, исполнение запроса процессора на запись или чтение может задержаться на несколько десятков микросекунд. Если такой режим работы нежелателен, то логическая схема регенерации снабжается дополнительнымиблоками позволяющими приостановить процесс регенерации на время выполнения запроса процессора или другого устройства, связанного с памятью.

В последнее время в качестве запоминающего элемента динамических ОЗУ применяют однотранзисторные ЗЭ [19].

На рис. 5.6 представлена электрическая схема и конструкция однотранзисторного ЗЭ.

Рис. 5.6. Запоминающий элемент динамического ЗУ: а) схема; б) конструкция

Ключевой транзистор отключает запоминающий конденсатор С₃от линии записи – считывания (ЛСЗ) или подключает его к ней. Сток транзистора не имеет внешнего вывода и образует одну из обкладок конденсатора. Другой обкладкой служит подложка. Между обкладками расположен тонкий слой диэлектрика – оксид кремния SiO₂. затвор подключен к линии выбора элемента (ЛВ). В режиме хранения ключевой транзистор заперт. При выборе данного ЗЭ на затвор подается напряжение, отпирающее транзистор. Запоминающая емкость через проводящий канал подключается к линии записи-считывания и в зависимости от заряженного или разряженного состояния емкости различно влияет на потенциал линии записи-считывания. При записи потенциал линии записи-считывания передается на конденсатор, определяя его состояние. В одно транзисторном ЗЭ конденсатор также неизбежно теряет со временем свой заряд, и хранение данных требует их периодической регенерации.

Ячейки микросхем динамической памяти, как было указано выше, организованы в виде прямоугольной матрицы. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигнал CAS (ColumnAddressStrobe – строб адреса столбца). При каждом обращении к отдельной ячейке регенерируются все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенерации матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки динамической памяти имеют сравнительно малое быстродействие (сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка несколько мегабайт на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамические ОЗУ с запоминающим конденсатором наиболее часто используются в современных микропроцессорных системах в качестве ОЗУ. Объем такого ОЗУ достигает 1 Гбайт и более. ПЗУ в отличие от ОЗУ не теряют информации при выключении питания и допускают только считывание информации. Все микросхемы ПЗУ можно разделить на два типа: программируемые единожды и перепрограммируемые. К первому типу относятся масочные ПЗУ, программируемые в процессе изготовления микросхем, и ПЗУ программируемые пользователем при помощи плавких перемычек.

Накопитель ПЗУ обычно выполняют в виде системы взаимно перпендикулярных шин, в пересечениях которых находится логический элемент, связывающий две шины и определяющий записанный в ячейку ноль или единицу. Выборка слов в ПЗУ осуществляется с помощью дешифратора адреса. В масочных ПЗУ информация в микросхему заносится при изготовлении построением одного из слоев схемы при помощи фотошаблона, что и определяет их название.

Рис. 5.7. ПЗУ емкостью 4 байта

На рис. 5.7. представлено масочное ПЗУ, запись в которое произведена путем металлизации участков, соединяющих через диоды соответствующие линии строк и столбцов. Большее распространение получили микросхемы ПЗУ на основе плавких перемычек. В этих микросхемах элементом связи между шинами является биполярный транзистор с выжигаемой перемычкой. (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема элемента памяти ПЗУ с плавкими перемычками

При программировании для записи ноля через соответствующий переход транзистора пропускают импульс тока, необходимый для удаления перемычки.

К репрограммируемым обычно относят микросхемы ПЗУ с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием и ПЗУ с электрическим программированием и стиранием.

Организация РПЗУ отличается от организации ППЗУ тем, что между линиями строк и столбцов установлены не диоды с плавкими перемычками, а специальные МОП транзисторы(с изолированным затвором). После изготовления все МОП – транзисторы обладают очень большим сопротивлением (т.е. закрыты). Подачей импульса большой амплитуды МОП транзистор переводится в проводящее состояние, которое он может сохранять даже по истечении 10 лет. Для возвращения МОП – транзисторов в исходное состояние их надо подвергнуть длительному воздействию ультрафиолетовых лучей. Групповое облучение всех МОП – транзисторов производится на специальных установках в течение 10 -30 мин через прозрачное (кварцевое) окно в корпусе БИС. После этого БИС РПЗУ оказывается в исходном состоянии и ее можно снова программировать.

В ПЗУ с электрическим программированием и стиранием после программирования можно вернуть в исходное состояние (стереть) любой отдельно взятый МОП – транзистор. К этому типу перепрограммируемому ПЗУ относится и Flash Memory – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого. Важнейшая микросхема постоянной или Flash – памяти в ЭВМ – микросхема BIOS, содержащая программу начальной загрузки ОС.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒