Оперативные и постоянные ЗУ с произвольным доступом

Оперативные и постоянные ЗУ с произвольным доступом

В настоящее время промышленность изготавливает два основных типа запоминающих элементов ОЗУ: статические и динамические запоминающие устройства.

Статический запоминающий элемент — это бистабильная схема (схема с двумя устойчивыми состояниями), обычно называемая триггером. В наиболее распространенных БИС ОЗУ, построенных на МОП (металл-окисел-полупроводник) - технологии, такие схемы выполнены на шести МОП-транзисторах (рис. 6.6, а) с обязательным использованием внешнего источника питания (Eпит) В них транзисторы ТЗ и Т4 выполняют роль нагрузочных резисторов, а соединенные крест-накрест транзисторы Т1 и Т2 всегда (кроме момента переключения) находятся в противоположных состояниях. Когда один из транзисторов (например, Т2) открыт (проводит ток), то с него на другой транзистор (77) 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/R и открывающий («1») и закрывающий («0») сигналы. После переключения схема опять будет находиться в устойчивом состоянии (которому присвоено значение 1) до нового разрешения (единичный сигнал «Выбор элемента») и записи нуля (0 на линии W/R и 1 на линии ). Если же на элемент, сохраняющий 1, будет подан набор сигналов, соответствующий записи 1, то его состояние не изменится.

Динамический запоминающий элемент можно построить на трех МОП-транзисторах (рис. 6.6, б). В нем информация запоминается на паразитной емкости, всегда существующей между электродами транзистора (на схеме эта емкость показана в виде отдельного конденсатора Сn. Хранение данных в таком запоминающем элементе связано с состоянием проводимости Т2, которое определяется зарядом конденсатора. Если заряд конденсатора обеспечивает достаточный открывающий потенциал, то Т2 открыт. Это состояние не является самоподдерживающимся, поскольку конденсатор постепенно саморазряжается. Если же заряд конденсатора мал или отсутствует, то Т2 не проводит 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 (через несколько миллисекунд) подзаряжать емкости, хранящие заряд. Упрощения выполнения такой задачи можно добиться организацией перезаписи содержимого каждого элемента, не заботясь о том, была ли заряжена емкость этого элемента или нет. 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 элементов строки (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.

Рис. 6.6. Запоминающие элементы: а — статического ОЗУ; б — динамического ОЗУ

В большинстве БИС динамических ОЗУ регенерация всех элементов памяти должна выполняться через 1—2 мс. Для этого модули динамической памяти снабжают логической схемой регенерации, которая реализует наиболее приемлемую стратегию такого процесса. В простейшем случае схема регенерации 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 первых строках 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).

Так как количество строк БИС динамических ОЗУ и цикл памяти их элементов позволяют закончить такой процесс за несколько десятков микросекунд, то на регенерацию памяти затрачивается не более 1—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 дополнительными блоками, позволяющими приостановить процесс регенерации на время выполнения запроса процессора или другого устройства, связанного с памятью.

Следовательно, модули, построенные на БИС динамических ОЗУ, имеют более сложные схемы управления, чем модули, построенные на БИС статических ОЗУ. Кроме того, они могут задерживать прием или выдачу данных на сравнительно большие промежутки времени. Чем же компенсируются эти недостатки? Главное достоинство БИС динамических ОЗУ — это более высокая плотность упаковки информации. Меньшее число МОП-транзисторов в запоминающем элементе (не более трех вместо шести) позволяет разместить на одном кристалле большее число запоминающих элементов и уменьшить число БИС в модуле памяти. Второе преимущество связано с тем, что динамический запоминающий элемент не потребляет тока, за исключением тех относительно коротких отрезков времени, когда к нему обращаются. Третье достоинство, являющееся следствием двух первых,— меньшая стоимость, меньшие габариты и большая надежность динамических ОЗУ по сравнению со статическими.

В заключение отметим основной недостаток полупроводниковых ОЗУ (статических и динамических) — это энергозависимость. Хранимая информация теряется даже при кратковременных неисправностях питания. Применение резервных источников питания (например, аккумуляторов) при отключении основного блока питания микроЭВМ нока не может решить проблемы энергонезависимости. Поэтому во всех ЭВМ используются не только ОЗУ, но и постоянные запоминающие устройства, которые не теряют информации при выключении питания и могут ее выдавать через тысячи и десятки тысяч часов после записи.

Статические ОЗУ

На рис. показана структура статического ОЗУ емкостью 64 Кбит. В таком ОЗУ осуществляется параллельное считывание – запись 8 бит данных, т.е. оно имеет организацию 8Кслов х 8бит.

Для ввода – вывода данных используются 8 выводов I/O7 – I/O0, для ввода адресных сигналов – 13 выводов (А12 – А0) и для ввода управляющих сигналов 4 вывода WE, OE, CS1 и CS2.

Запоминающим элементом является триггер. Триггеры расположены в виде матрицы размером 256 х 256. Выбор строки осуществляется дешифратором старших 8 бит адреса, а выбор столбца – 5-ю младшими разрядами.

Когда управляющий сигнал WE имеет низкий уровень, вентиль Gw отпирается и производится запись данных, подаваемых на I/O7 – I/O0. По низкому уровню OE отпирается вентиль Gr, и считываемые данные выводятся на линии I/O.Если уровни WE и OE одновременно становятся низкими, приоритет отдается WE. CS1 и CS2 служат для выбора кристалла, при этом сигналы WE и OE становятся активными. После выбора кристалла приводятся в действие дешифраторы строк и столбцов.

Управление статическим ОЗУ осуществляется просто (можно непосредственно от управляющих сигналов, передаваемых процессором). На рис. показана организация памяти объемом 64К х 16 бит на статических ОЗУ.

Динамические ОЗУ

На рис. показан пример структуры динамического ОЗУ емкостью 64Кбит. Считывание и запись данных в такое ЗУ осуществляется по битам, т. е. данные в нем представлены как 64К отдельных бит. Ввод и вывод производится раздельно, для чего предусмотрено два вывода Dвх и Dвых. Для ввода адреса имеется 8 контактов А7 – А0

Адресация 64К слов осуществляется 16 – разрядным адресом А15 – А0, причем сначала передаются 8 старших бит адреса, которые фиксируются в регистре адреса строки, а затем младшие 8 бит, которые фиксируются в регистре адреса столбца.

Для считывания адреса строки используется управляющий сигнал RAS (строб адреса строки), а считывание адреса столбца – управляющий сигнал CAS (строб адреса столбца).WE – сигнал управления записью. Таким образом благодаря тому, что ввод – вывод данных производится по битам, а ввод адреса – поочереднопо строкам и столбцам, кристалл можно разместить в малом корпусе.

Запоминающим элементом такого ЗУ является конденсатор. Конденсаторы расположены в виде матрицы из 128 строк и512 столбцов.

Дешифратором строк выбирается одна из 128 строк. 512 конденсаторов каждой строки подключаются к такому же числу усилителей считывания. Усиленный сигнал по цепи обратной связи повторно записывается в этих конденсаторах. Дешифратор столбцов выбирает один из 512 усилителей считывания. Бит выбранный в режиме считывания, выдается на линию Dвых

Заряд конденсатора вследствие утечки со временем уменьшается. Поэтому для сохранения содержимого памяти необходимо периодически через несколько миллисекунд осуществлять регенерацию (считывание + повторная запись).Когда в какой-то строке осуществляется считывание – запись данных, эта строка автоматически регенерируется; если осуществляется только регенерация, необходимость в установлении адреса столбца отсутствует. Адресу строки с помощью сигнала RAS присваивается номер с 0 до 127. Если матрица имеет размер 256 х256 то время регенерации по сравнению с матрицей размером 128 х 512. Вдвое возрастает и число ЗЭ подключаемых к одному усилителю считывания, что усложняет надежное считывание информации. Этим обуславливается организация памяти 128 х 512.