Лабораторная работа №3. УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ МП-СИСТЕМ

Русак С.В. 09-Гео-1

Память часто разделяют на так называемую внут­реннюю, которая выполняется на основе полупроводни­ковых БИС, и внешнюю — устройства для долговремен­ного хранения информации (магнитные ленты, диски и т.п.). Ниже мы будем рассматривать только полупро­водниковые запоминающие устройства (ЗУ).

По способу обращения к элементам различают ад­ресные и ассоциативные ЗУ. В адресных БИС памяти обращение к элементам памяти производится по их фи­зическим координатам, задаваемым двоичным кодом — адресом. Они бывают с произвольным обращением (вы­боркой), т.е. допускают любой порядок следования ад­ресов, и с последовательным обращением, где выборка элементов памяти возможна только в определенном по­рядке— возрастания или убывания адресов. Архитектура микропроцессоров ориентирована в первую очередь на использование ад­ресных ЗУ с произвольной выборкой.

По принципу построения полупроводниковые устрой­ства памяти можно также разделить на энергонезависи­мые ЗУ «только для чтения» — постоянные запоминаю­щие устройства ПЗУ или ROM и энергозависимые оперативные ЗУ с произвольной вы­боркой для чтения и записи или RAM.

ПЗУ Существует несколько их разновидностей, которые различаются принципом занесения информации, а также технологией изготовления.

Масочно-программируемые ПЗУ. Эти БИС выпуска­ются по различным технологиям (ТТЛ, МОП, КМОП). Информация заносится в них в процессе изготовления, обычно на финишном его участке и не может быть впо­следствии изменена. В серийном производстве эти БИС относительно дешевы. Однако каждая «прошивка», т. е. заносимый в ПЗУ массив информации, требует соответ­ствующей дорогостоящей технологической подготовки производства — индивидуальной маски (фотошаблона). Поэтому данный тип ПЗУ рентабельно применять в уже отлаженных изделиях, выпускаемых большими партия­ми.

Программируемые ПЗУ (ППЗУ) с плавкими перемыч­ками поступают к потребителю в первоначальном незапрограммированном состоянии, соответствующем О или 1 (в зависимости от типа БИС) во всех элементах памяти. В режиме программирования можно записать в ППЗУ информацию путем пережигания перемычек электрическим током по специальной программе [49]. В дальнейшем изменение информации, занесенной в ППЗУ, возможно путем повторного программирования только в одном направлении — путем пережигания пе­ремычек, оставшихся после предыдущего программиро­вания.

Выпускается широкая гамма подобных микросхем серии КР556 на основе схем ТТЛШ. Их емкость дости­гает в настоящее время 2 кбайт (РТ16, РТ18).

ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации в настоящее время наиболее широко используются в МП-системах. В этих БИС каждый бит хранимой ин­формации отображается состоянием соответствующего МОП-транзистора с плавающим затвором. Затворы транзисторов при программировании заряжаются лавин­ной инжекцией, т. е. обратимым пробоем окружающего затвор изолирующего слоя под действием электрического импульса напряжением 18—26 В. Заряд в таких кон­денсаторах за счет высокого качества изолирующего слоя может сохраняться очень долго. Так, например, для отечественных ППЗУ серии К573 гарантируется со­хранение информации не менее 15—25 тыс. ч во вклю­ченном состоянии и до 100 тыс. ч (К573РФ1), т.е. бо­лее 10 лет, — в выключенном.

Программирование ПЗУ обычно производят вне МП-системы, в которой предполагается их использовать, с помощью специальных устройств — программаторов. Последние часто выполняют в виде периферийных устройств ЭВМ, в которых производится подготовка, а также и хранение на внешних носителях записываемой в ПЗУ информации. Незапрограммированная микро­схема ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием имеет на вы­ходах по всем адресам уровень логической единицы. Для записи в требуемые разряды логического нуля при установленном адресе на соответствующие выводы дан­ных подается уровень 0, а на остальные — 1. Можно производить коррекцию ранее записанной информации, изменяя состояние 1 в любых разрядах на нулевое (но не наоборот).

Для полного программирования БИС типа К573РФ2 емкостью 2 кбайт требуется в стандартном режиме вре­мя порядка 100 с.

Для стирания информации в течение 30—60 мин об­лучают кристалл БИС сквозь прозрачное окно в корпу­се ультрафиолетовым излучением люминесцентной лам­пы, которое увеличивает ток утечки в изолирующем слое, приводя к рассасыванию хранимого на плавающих за­творах заряда.

Число циклов перезаписи обычно лежит в пределах 10—100 (для различных типов), так как при каждом программировании частично изменяется структура изо­лирующего слоя, что постепенно ухудшает его диэлек­трические свойства.

ППЗУ с электрическим стиранием позволяет произ­водить как запись, так и стирание (или перезапись) ин­формации с помощью электрических сигналов. Для по­строения таких ППЗУ используются различные технологии и структуры элементов памяти. В частности, применяются структуры с лавинной инжекцией заряда, аналогичные тем, на которых строятся ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием, но с дополнительными управляющими затворами, размещаемыми над плавающими. Подача напряжения на управляющий затвор приводитк рассасыванию заряда за счёт туннелирования носите­лей сквозь изолирующий слой.

Достоинством ППЗУ с электрическим стиранием яв­ляется не только удобство и высокая скорость перезаписи информации, но и значительное допустимое число циклов перезаписи. Обычно гарантируется не менее 10⁴ циклов.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) для записи — чтения информации в зависимости от структу­ры элементов памяти подразделяются на статические и динамические.

Элементы памяти в статических ОЗУ строятся на ос­нове статических триггерных цепей. Хранение информа­ции в триггере требует определенной мощности от источ­ника питания, т. е. такое ЗУ является энергозависимым. Типовая реализация триггерного элемента памяти в nПМОПи КМОП-БИС ОЗУ (эти виды технологии в наибольшей степени прогрессируют в настоящее вре­мя составляет шеститранзисторную схему. Поэтому статические ОЗУ проигрывают в 4—8 раз по информа­ционной емкости на кристалле динамическим ОЗУ, в ко­торых запоминающий элемент выполняется однотран-зисторным.

Информация в таком элементе хранится в виде заряда на запоминающем конденсаторе, обкладками которо­го являются области стока МОП-транзистора и подлож­ки. Запись и считывание информации производятся пу­тем открывания транзистора по затвору и подключения тем самым запоминающей емкости к схеме усилителя-регенератора. Последний, по существу, является стати­ческим триггерным элементом, который в зависимости от предварительной его подготовки или принимает (счи­тывает) информацию из емкостной запоминающей ячей­ки, устанавливаясь при этом в состояние 0 или 1, или, наоборот, в режиме записи соответствующим образом заряжает ячейку, будучи предварительно установленным в 0 или 1.

В режиме чтения триггер усилителя — регенератора вначале специальным управляющим сигналом устанав­ливается в неустойчивое равновесное состояние, из ко­торого при подключении к нему запоминающей емкости он переключается в 0 или 1. При этом вначале он по­требляет часть заряда, а затем при установке в устой­чивое состояние возвращает его ячейке, осуществляя таким образом регенерацию ее состояния.

В режиме хранения информации необходимо перио­дически производить регенерацию для компенсации ес­тественных утечек заряда. Максимальный период цикла регенерации для каждой из ячеек обычно составляет 1— 2 мс. В принципе для полной регенерации можно было бы с таким периодом считывать содержимое каждой из ячеек ОЗУ. Однако это заняло бы слишком много вре­мени. Поэтому архитектура БИС динамических ЗУ стро­ится таким образом, что операция регенерации является групповой, т. е. при каждом обращении к ОЗУ регенери­руется содержимое не одной ячейки, а целой строки. Поэтому, например, для регенерации БИС типа К565РУ5 емкостью 64 кбит необходимо обращение к каждой из 128 строк не реже, чем раз в 2 мс. Если учесть, что. ре­генерация одной строки занимает около 0,5 мкс, то об­щие потери времени на регенерацию составят примерно 3,2 %.

Регенерация может проводиться процессором про­граммно, например с помощью специальных прерыва­ний. Но чаще она реализуется аппаратно с помощью специального контроллера регенерации. Возможно также выполнение этой операции с помощью контроллера ПДП.

Построение модулей памяти МП-систем. Исходными «кирпичиками» при построении модулей памяти МП-систем служат отдельные БИС статической или дина­мической оперативной памяти, а также БИС ПЗУ. Отме­тим, что БИС памяти, выпускаемые различными фирма­ми, гораздо в большей степени стандартизованы по внешнему интерфейсу и даже в большинстве случаев по нумерации выводов по сравнению с другими типами микропроцессорных БИС.

При построении модулей памяти возникают задачи наращивания информационной емкости путем объединения БИС в соответствующую матрицу, а также буфе­ризации шин адреса, данных и управления. Наращивание емкости может производиться двумя путями. Во-первых, можно расширять разрядность путем парал­лельного включения БИС. Последние в этом случае объединяются по всем выводам, кроме информационных, которые в совокупности образуют расширенную инфор­мационную шину.

Второй путь наращивания информационной емкости — объединение БИС памяти по информационным входам — выходам. Кроме них объединяются все осталь­ные входы за исключением входов CS (выбор чипа). Сигналы на этих входах определяют, какой из микро­схем необходимо включаться в работу. Максимальное число объединяемых таким образом БИС определяется допустимой емкостной нагрузкой на выходе микросхемы.

ПЗУ, как правило, выпускаются многоразрядными. Разрядность ПЗУ, так же как и разрядность МП, со­ставляет 4, 8, 16. Это связано в первую очередь с удоб­ством занесения и изменения информации в ПЗУ. Действительно, записывать информацию в ПЗУ целыми сло­вами гораздо удобнее, чем, допустим, по одному разряду в каждое из нескольких ПЗУ, образующих заданную длину слова.

В последние годы стали выпускать БИС статических ОЗУ, аналогичных по цоколевке и назначению выводов программируемым ПЗУ. Напри­мер, ОЗУ типа К537РУ9 имеет, как и микросхемы ПЗУ типа К573РФ2, РФ5, организацию 2К X 8 и аналогичную цоколевку, за исключением одного вывода (21). У ПЗУ на этот вывод подается напряжение программирования, а в микросхеме ОЗУ — это вход управления записью WR.

Таким образом, можно представить себе резервиро­вание на печатной плате посадочных мест под микросхе­мы памяти с практически идентичной разводкой выво­дов, куда в зависимости от решаемой задачи можно устанавливать микросхемы ОЗУ и ПЗУ в необходимом соотношении.

Пример схемы включения устройств памяти в МП-системе показан на рис. 1.

В данном случае используются микросхемы ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием типа К573РФ2 или КФ573РФ5 и микросхемы статического ОЗУ типа К537РУ9. Каждая из этих микросхем способна хранить 2 кбайта информации, представленной в виде 2048 восьмиразрядных слов.-

Рис. 1. Схема включения устройств памяти

Выбор нужного слова производится с помощью одиннадцати адресных сигналов АО—А10. Кроме того, эти микросхемы имеют входы CS (выбор чипа), на которые подаются сигналы, зависящие от со­стояния старших разрядов адресной шины МП-системы All — А15. Как видно из рис. 1 управление этими вхо­дами осуществляется с помощью дешифратора типа К555ИД7. Микросхемы ПЗУ (ROM) и ОЗУ (RAM) включаются в работу тогда, когда старшие разряды ад­ресной шины А15 — А11 будут находиться в состояниях 00000 и 00001. Таким образом, ячейки ПЗУ и ОЗУ зани­мают в адресном пространстве соответственно области 0000 Н— 07FF Н и 0800 H—0FFF Н.

Перевод выходов микросхем памяти в высокоимпедансное состояние производится при подаче логической единицы на входы ОЕ (разрешение выхода) с линии MEMR шины управления МП. Направление передачи информации в ОЗУ изменяется в зависимости от сигна­ла на линии MEMW шины управления.

В ПЗУ имеется вход включения режима программи­рования PG. Как уже указывалось, обычно программи­рование ПЗУ производится вне МП-системы. В обычном режиме (режиме чтения) на этот вход подается напря­жение питания (+5 В).

При необходимости объем памяти в устройстве по схеме рис. 1 может быть увеличен. Это достигается пу­тем включения дополнительных ПЗУ или ОЗУ. При этом микросхемы К573РФ2 или К537РУ9 включаются точно так же, как это показано на рис. 7.6, но их входы CS присоединяются к другим выходам дешифратора DC. Наибольшее число микросхем памяти, включаемых па­раллельно на шину данных без дополнительных буфе­ров, как мы уже говорили, ограничено допустимой ем­костной нагрузкой выходов микросхем памяти.

Рассмотренная схема включения устройств памяти рассчитана на управляющую шину МП типа ВМ80. Ес ли же пр именяетс я МП типа ВМ85, то вместо сигналов MEMR и MEMW используются сигналы RD и WR, а на один из входов разрешения дешифратора DC подается сигнал IO/M

Вопросы дл самоконтроля:

1. Что является носителем информации в системах цифровой записи?

2. Какие виды устройств памяти Вы знаете?

3. Схемы построения модулей памяти