Запоминающие устройства. Разновидности, характеристики.

Цифровые запоминающие устройства (ЗУ) предназначены для записи, хранения и выдачи информации, представленной в виде цифрового кода.

Классификацию ЗУ можно выполнить по ряду признаков: иерархии; способу обращения к ячейкам памяти; функциональному назначению; способу хранения информации; технологическому исполнению.

В иерархии памяти ЭВМ ЗУ: Регистровые ЗУ -находятся в составе процессора. Наименьший объем и наибольшее быстродействие. Кэш-память - предназначена для хранения промежуточной информации для текущих операций. Небольшой объем и высокое быстродействие. Основная память - в ней хранятся данные и программы, выполняемые в данный момент процессором, работает в режиме обмена с процессором.Специализированная память – примен-ся для специальных арх-ур (видеопамяти).Внешняя память – магнитные, оптические диски и т.д.По способу обращения к ячейкам памяти ЗУ: адресные, последовательные и ассоциативные.

Адресные ЗУ позволяют обращаться к любой ячейке в адресном пространстве. Все ячейки равнодоступны. Эти ЗУ наиболее распространены.Последовательные ЗУ осуществляет считывание информации из очереди слово за словом либо в порядке записи, либо в обратном порядке.

Ассоциативные ЗУ реализуют поиск информации по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти.

По функциональному назначению ЗУ:

Оперативные ЗУ (ОЗУ, или RAM) – устройства памяти цифровой информации, обеспечивают запись, хранение и считывание цифровой информации в процессе ее обработки.

Постоянные ЗУ (ПЗУ, или ROM) – матрицы элементов памяти, предназнач. для хранения и воспроизведения неизменной информации, заносимой в матрицу при изготовлении.

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM) – ПЗУ с возможностью однократного электрического программир-я. Позволяет пользователю однократно запрограммировать микросхему памяти.

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ, или EEPROM) – ПЗУ с возмож-тью многократ. электрического программир-я. Отличаются от ПЗУ тем, что допускают многократную электрическую запись информации.

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием (РПЗУ УФ, или EPROM) отличаются от РПЗУ только способом стирания информации с помощью ультрафиолетовых лучей. Для этого в корпусе микросхемы сделано специальное окно.

FLASH-память принципиально подобна РПЗУ, но эта память имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид.

По способу хранения информации ОЗУ делятся на статические (SRAM) и динамические (DRAM). В статических ОЗУ запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока схема находится под напряжением питания. В динамических ОЗУ данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-транзисторов. Саморазряд конденсаторов ведет к потере данных, поэтому они должны периодически регенерироваться. Это является недостатком динамических ОЗУ. Достоинства: плотность упаковки элементов динамической памяти в несколько раз выше, чем у статических ОЗУ. Поэтому динамические ОЗУ имеют более высокую информационную емкость и меньшую цену. Достоинство статических ОЗУ – большее быстродействие. Динамические ОЗУ используются как основная память ЭВМ. Быстродействующие статические ОЗУ в основном применяются в кэш-памяти, последовательных ЗУ и т.п.

Различают энергозависимую и энергонезависимую память.

Параметры ЗУ:

Информационная емкость определяет максимально возможный объем хранимой в нем информации. Единицей измерения количества информации является один бит или слово (в частности, байт). Бит хранится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово – запоминающей ячейкой (ЗЯ), к которым возможно лишь одновременное обращение.

Организация ЗУ (N × L) показывает число кодовых слов (N), хранимых в ЗУ с указанием из длины (разрядности) (L). Емкость ЗУ соответственно равна M = NL. При одном и том же объеме памяти хранимой информации память может иметь разную организацию. Примеры организации памяти: 32 × 8, 128К × 8, 1М × 1.

Динамические характеристики ЗУ Время считывания – интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ. Время записи – интервал после появления сигнала записи, достаточный для установления ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом. Цикл – минимально допустимый интервал между последовательными повторными операциями чтения или записи. Длительности циклов превышают времена чтения и записи, т.к. после этих операций до начала следующей может потребоваться время для восстановления необходимого начального состояния ЗУ.

 

 

Структуры ЗУ.

В ее состав входят: дешифратор строк DCX и столбцов DCY, накопитель H, устройство записи УЗ и устройство управления. В зависимости от типа ЗУ те или иные узлы могут отсутствовать или меняться их схемотехника.

Основной составной частью ЗУ является матрица накопителя, она представляет собой массив запоминающих элементов, объединенных в матрицу. ЗЭ может хранить один бит информации. ЗЭ могут быть объединены в ЗЯ, которая хранит слово, состоящее из 8, 16 бит. Для обращения к ЗЭ или ЗЯ необходимо выбрать ее с помощью кода адреса (каждая ячейка имеет свой уникальный адрес).

Статические ОЗУ и ПЗУ имеют аналогичные структуры, динамические ОЗУ имеют свои особенности структуры. Наиболее характерные структуры ЗУ подразделяют на структуры с одномерной (словарной) адресацией – 2D, 2DM и структуры с двумерной (матричной) адресацией – 3D.

Структура 2D представляет собой матрицу размерностью M = m × n, где n – число хранимых слов, m – их разрядность (рис.26.2).

Рис.26.2. Структура ЗУ типа 2D

Дешифратор DC служит для выбора заданного слова, разрешая доступ ко всем элементам выбранной строки, хранящей слово, адрес которого соответствует номеру строки. Выбор режима чтения или записи осуществляется воздействием сигнала чтение/запись.

ЗУ типа 2D применяется лишь для памяти малого объема, основным недостатком этой структуры является чрезмерное усложнение дешифратора при наращивании объема памяти.

Структура 3D применяется для упрощения дешифрации адреса с помощью двухкоординатной выборки ЗЭ. Структура ЗУ с двухкоординатной выборкой показана на рис.26.3.

Рис.26.3. Структура ЗУ 3D

Код адреса разрядностью n делится на две половины (А _n-1…A_k, A_k1…A₀), одна служит для определения строки, вторая – для определения столбца. Таким образом, выбирается один бит нужного слова, который находится в ЗЭ на пересечении активных выходов обоих дешифраторов. При построении ЗУ для многоразрядных слов к дешифраторам строки и столбца могут подключаться параллельно несколько матриц, число которых равно разрядности хранимых слов. Каждая матрица выдает один бит адресованного слова.

Недостатком структуры 3D является усложнение элементов памяти, имеющих двухкоординатную выборку. В связи с этим структуры 3D применяются редко.

Структура 2DM содержит дешифратор для выбора строки матрицы и мультиплексоры для выбора разрядов слова. Эта структура похожа на структуру 2D – активный выход дешифратора выбирает целую строку. Отличие в том, что длина строки не равна разрядности хранимых слов, гораздо длиннее ее. Вследствие этого уменьшается количество строк матрицы и, соответственно, уменьшается количество необходимых выходов дешифратора (рис.26.4).

На выходах мультиплексоров формируется выходное слово, каждый разряд которого выбирается из отрезка строки длиной m2^k, где m – разрядность хранимых слов. На выходах m мультиплексоров формируется выходное слово, каждый разряд которого выбирается из отрезка строки длиной 2^к.

 

Рис.26.4. Структура типа 2DM

 

ОЗУ.

Опер. память микро-ЭВМ чаще всего - полупроводниковая. Матр. триг-ов или др. ЗЭ компонуется как единая интегральная схема. ОЗУ, как и ПЗУ явл. устр-ми с произвол. доступом и представ. собою матр. активных энергонезавис. эл-тов.

ОЗУ: на 2 класса – статич. и динамич. В статич. ОЗУ для хранен. 1 бит инф-ции исп. отдел. триг., и эта инф-ция сохр-ся пока есть питание. В динамич. ОЗУ инф-ция хран. в виде электрич. зарядов емкости затвор-подложка МОП – тр-ра. Эта емкость ч/з неск-ко миллисекунд разряжается, т.ч. треб-ся ее периодич. подзарядка. Динамич. ОЗУ имеет важное знач., поскольку в памяти этого типа исп-ся ↓ кол-во эл-тов на бит запоминаемой инф-ции, чем в устр-ах статич. типа, что позволяет достичь более ↑ уровня интеграции. Динамич. память обладает также более ↑ быстродейств. и потреб. ↓ мощность в устойчивом состоянии. Однако для орг-ции цикла регенерации треб. дополнит. оборуд-ние. Поэтому динамич. память эффективна лишь для ОЗУ относит. > объема. Память же < объема обычно реализ/ на статич. эл-тах.

Статич

Динамич

Динамические ОЗУ хранят информацию в виде заряда конденсатора. Запоминающий элемент динамического ЗУ гораздо проще, чем статического, что позволяет разместить на кристалле микросхемы гораздо больше ЗЭ, что обусловливает высокую информационную емкость динамических ЗУ.

По сравнению со статическими ОЗУ, динамические имеют меньшее быстродействие, но они проще, дешевле и имеют высокую степень интеграции, что дает высокую информационную емкость. В настоящее время выпускаются динамические ОЗУ емкостью до 256 Мбит.

Хранение информации происходит на емкости C_ЗИ (затвор – исток) полевого транзистора, который также выполняет роль ключа выборки.

Статические ОЗУ имеют высокой быстродействие, вследствие чего они широко используются в быстродействующей кэш-памяти, ЗУ последовательного типа, в микроконтроллерах для реализации небольших по объему блоков памяти.

 

22. ОЗУ-----------доп------------------------------------------------

Запоминающий элемент на n-МОП транзисторах содержит два инвертора VT₃ и VT₄, выполненных на основе ключей с нагрузочными транзисторами VT₁ и VT₂. За счет ПОС инверторы образуют RS-триггер. Выходы триггера через транзисторы VT₅ и VT₆ соединены с шинами считывания – записи столбцов. Через шины столбцов можно считывать состояние триггера, а также можно записывать данные в триггер, подавая низкий потенциал логического нуля на ту или иную шину.

Подача нуля на вход «установка в «1» снижает стоковое напряжение транзистора VT₃, что запирает транзистор VT₄ и повышает напряжение на его стоке. Это открывает транзистор VT₃ и фиксирует созданный на его стоке низкий уровень напряжения даже после снятия сигнала записи. Таким образом, триггер устанавливается в состояние логической 1. Точно так же нулевым сигналом по шине «установка в «0» можно установить триггер в нулевое состояние. Эти состояния могут длиться сколь угодно долго, пока включено питание схемы. При выборе строки со своими шинами столбцов соединяются все ее триггеры, но с выходными цепями записи связываются только те ячейки, которые активизированы сигналом «выбор ячейки».

Данный ЗЭ позволяет производить чтение-запись информации по одним и тем же выводам. Для считывания информации, записанной в ЗЭ, нужно подать сигнал «выбор ячейки». При этом оба транзистора VT₅ и VT₆ открываются и через транзистор, подключенный к триггеру с положительным напряжением, протекает ток, поступающий в соответствующую разрядную шину.

В качестве примера на рис. приведена структурная схема и схема расположения выводов статического ОЗУ K6X8016 фирмы Samsung Electronics информационной емкостью 8Мбит с организацией 512К × 16.

 

 

Микросхема имеет следующие выводы:

– выбор кристалла; V_СС – питание;

– чтение; V_SS – общий;

– запись;

U_B – выбор старшего байта;

А₀ – А₁₈ – адрес; L_B – выбор младшего байта;

I/O₁ – I/O₁₆ – вход/выход данных.

В этой микросхеме запись/чтение осуществляется по одной шине, работу с младшими и старшими разрядами данных можно производить раздельно.

 

Сохранность информации при выборке и хранении обеспечивается при помощи усилителя-регенератора. Режим хранения обеспечивается периодической регенерацией заряда емкости С_ЗИ с частотой несколько сотен герц. В процессе регенерации уменьшение заряда на емкости компенсируется усилителем-регенератором.

Особенностью почти всех динамических ОЗУ является мультиплексирование шины адреса. Адрес делится на два полуадреса, один из которых представляет собой адрес строки, второй – адрес столбца. Оба полуадреса подаются на одни и те же адресные выводы ИС поочередно. Такое мультиплексирование необходимо для уменьшения числа выводов корпуса ИС, что особенно актуально для динамических ОЗУ, имеющих большую емкость и большую разрядность адресов. Такое построение ИС динамического ОЗУ обеспечивает меньшее быстродействие, чем статического.

Микросхема управляется следующими основными сигналами.

CLK – синхросигнал;

CS – разрешает или запрещает декодирование команд;

СКЕ – разрешает или запрещает внутреннее тактирование и функционирование входных и выходных буферов;

А0 – А12 – адрес столбцов (RA0 – RA12)/колонок (CA0 – CA8);

BS0, BS – выбор банка памяти;

RAS – строб адреса строк;

CAS – строб адреса столбцов;

DQM – маскирование данных ввода/вывода;

DQ0 – DQ15 – входные/выходные данные;

WE – разрешение записи.

Микросхема имеет четыре банка памяти организацией 4М× 16 бит. Адресная информация состоит из трех частей: адреса банка; адреса колонки и столбца, которые подаются последовательно в соответствии с сигналами и . Буфер адреса строк содержит счетчик адресов, используемый для регенерации данных с помощью перебора строк в режиме чтения.

Микросхема работает с тактовой частотой 143 МГц. В схеме реализована авторегенерация, частота регенерации составляет 8 кГц. ИМС выполнена в корпусе с 54 выводами.

ПЗУ и ППЗУ.

ПЗУ – память, инф-ия в кот., будучи однажды запис., изменению не подлежит. Пр.: прог-ма загрузки в ОЗУ микропроц. сис-ой инф-ии из внеш. памяти. Инф-ия в ПЗУ представ. в виде налич. или отсутст. Соед-ия м/у шинами адреса и данных.

Схема простейшего ПЗУ: дешиф-р, диоды, набор резис-ов и шинные формирователи. Кол-во столбцов опр. разрядность слова, а кол-во строк – кол-во 8 разрядных слов. Диоды устанав. в тех местах, где должны хран. биты, имеющие знач. логич. «0». В наст t вместо диодов ставят МОП-транз-ры.

Сост. прост. ПЗУ

Слово	Двоичное представление
А0	А1	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7	D8

ПЗУ имеют многоразрядную организацию со стр-рой 2DM.

ПЗУ: на: программир. при изготовл., с однократным программир. и перепрограммир.

В ПЗУ инф-ия запис. в проц. изготов-ия с помощ. фотошаблона, назыв. маской. Такие ПЗУ наз. масочными, постр. на диодах, биполяр. или МОП транз-рах. Обл. исп.: хран. стандартной инф-ии

ППЗУ – ПЗУ с возможн. однократ. электрич. программ-ия. Этот вид памяти позвол. однократно запрограммировать микросхему памяти с помощ. программаторов. Микросхемы ППЗУ постр. на ЗЯ с плавкими перемычками. Процесс программ-ия заключ. в избират. пережигании плавких перемычек с помощ. импульсов I достаточ. амплитуды и длит-ти. Плавкие перемычки вкл. в электроды диодов или транз-ров.

РПЗУ – ПЗУ с возможн. многократю электрич. программ-ия. В ИС РПЗУ УФ (EPROM) старая инф-ия стирается с помощ. ультрафиол. лучей, для чего в корпусе микросх. имеется прозрачное окошко; в РПЗУ (EEPROM) – с помощ. электрич. сигналов.

ЗЯ РПЗУ строятся на n-МОП или КМОП транз-рах.

Современные РПЗУ имеют инф-ую емкость до 4 Мбит при тактовой частоте до 80 МГц.

 

 

 

 

24. FLASH-память.

Флеш-память — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Использует ЛИЗМОП-транзисторы(затвор транзистора делают плавающим, такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения. В результате заряд на плавающем затворе влияет на ток стока, что используется при считывании информации.

В ней произв-ся стирание или всей запис. инф-ии одновременно, или больших блоков инф-ии, а не стирание отдел-х слов. Это дает возмож-ть значит. упростить схему ЗУ и достичь высокого уровня интеграции и быстродействия при ↓ стоим-ти.

Можно выделить 2 осн. стр-ры пост. флэш-памяти: память на осн. ячеек NOR и NAND. Стр-ра NOR состоит из ||-но включ. элементарных ячеек хран. инф-ии. Такая организация ячеек обеспеч. возможность произвол. доступа к данным и побайтной записи инф-ии. В осн. стр-ры NAND лежит принцип послед. соед. элементарных ячеек, образ. гр., кот. объед-ся в страницы, а страницы – в блоки. При таком постр. массива памяти обращ. к отдельным ячейкам невозможно. Программ-ие вып-ся одновременно только в пределах одной стр., а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.

NAND: процессы записи/стирания вып-ся значит. быстрее. Низкое энергопотребл. Прост. наращ. объемов памяти

NOR: большие времена стирания и записи, но облад. доступом к каждому биту на чтение. Примен. для записи и хранен. программ. кода, кот. не требует частого перезапис-ия.

Обл. примен.: карты памяти и иные устр-ва хран. данных.

NOR NAND

ОЗУ типа FRAM

FRAM — это запоминающее устройство типа ОЗУ, которое использует сегнетоэлектрический эффект для реализации механизма хранения данных. Этот механизм существенно отличается от используемой в других типах энергонезависимой памяти технологии плавающего затвора. Сегнетоэлектрический эффект — это возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрические материалы нечувствительны к магнитным полям и Х-излучению. Конструктивное исполнение FRAM-устройств делает их нечувствительными к реальным внешним электрическим полям.

Ячейка памяти FRAM создается размещением сверхтонкой пленки сегнетоэлектрического материала в крис-таллическом виде между двумя плоскими металлическими электродами, образующими конденсатор. Этот конденсатор конструктивно очень похож на конденсатор, используемый при построении ячейки динамического оперативного запоминающего устройства (Dynamic RAM - DRAM). Однако, вместо того, чтобы хранить данные как заряд в конденсаторе, подобно DRAM, сегнетоэлектрическая ячейка памяти хранит данные внутри кристаллической структуры. Сегнетоэлектрические кристаллы сохраняют два стабильных состояния — «1» и «0». Благодаря этому реализация базовой ячейки ОЗУ проста, как и схемы усилителя считывания и записи. Поскольку в ячейке FRAM отсутствует эффект утечки заряда, приводящий к потере информации, нет необходимости в периодической регенерации данных, как в динамической памяти. Более того, при отключении напряжения питания данные сохраняются.

Сегнетоэлектрический кристалл имеет подвижный атом в центре кристалла. Приложение внешнего электрического поля к кристаллу заставляет этот атом двигаться в направлении приложенного поля. Изменение направления электрического поля заставляет атом двигаться в обратном направлении. Положение атома в верхней и нижней части кристалла стабильное. Поэтому снятие электрического поля оставляет атом в стабильном положении, даже при отсутствии напряжения питания. Как элемент памяти, сегнетоэлек-трический кристалл идеально подходит для реализации устройств цифровой (дискретной) памяти. Он имеет два устойчивых состояния и является очень стабильным во времени. При этом требуется очень мало времени и энергии для изменения его состояния. Термин FRAM еще не устоялся. Первые FRAM получили название – ферродинамические ОЗУ. Однако в настоящее время в качестве запоминающих ячеек используется сегнетоэлектрик и сейчас FRAM часто называют сегнетоэлектрическим ОЗУ.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: