Запоминающие устройства: назначение, принцип построения и программирования. Типовые интегральные схемы.

Цифровыми запоминающими называют устройства, предназначенные для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровом коде. Запоми­нающие устройства (ЗУ) классифицируют по назначению, технологии изготовления, способу адресации, способу хранения информации и т.д. По назначению запоминаю­щие устройства подразделяют на оперативные запомина­ющие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). ОЗУ обеспечивает режим записи, хра­нения и считывания информации в процессе ее обработ­ки. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

По технологии изготовления ЗУ делятся на биполяр­ные (ТТЛ-,ТТЛШ-, ЭСЛ-, И²Л-технологии) и униполяр­ные (n-МОП, КМОП- и другие технологии).

По способу адресации все ЗУ делятся на адресные и безадресные (ассоциативные). В адресных ЗУ обращение к элементам памяти производится в соответствии с их ад­ресом, задаваемым двоичным кодом. Большинство ЗУ являются адресными. В ассоциативных ЗУ считывание информации осуществляется по ее содержанию и не за­висит от физических координат элементов памяти. Ассо­циативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов.

К основным параметрам ЗУ относятся информацион­ная емкость, потребляемая мощность, время хранения информации, быстродействие и др.

Информационная емкость определяется числом ячеек памяти ЗУ и указывает максимальный объем хранимой информации. Если ЗУ рассчитано на хранение п чисел (слов), каждое из которых имеет т разрядов, то информационная емкость N определяется выражением N = п • т. Так, например, если ЗУ предназначено для хранения 16 слов, каждое из которых содержит 4 разряда, то ЗУ имеет структурную организацию 16 х 4 и информационную ем­кость N = 16x4 = 64 бит. ЗУ емкостью 64 бит может быть организовано и как ЗУ 32 х 2 (32 слова по 2 разряда каж­дое). Емкость часто выражают в байтах (1 байт = 8 бит). Емкость ЗУ составляет от нескольких десятков до не­скольких миллионов бит.

Потребляемая мощность - мощность, потребляемая ЗУ в установившемся режиме работы.

Время хранения информации - интервал времени, в течение которого ЗУ сохраняет информацию в заданном режиме.

Быстродействие - промежуток времени, необходимый для записи или считывания информации.

Основой любого ЗУ является матрица памяти (накопи­тель).

Запоминающие устройства с произвольным доступом, т. е. адресные запоминающие устройства, несмотря на большое разнообразие вариантов их реализации, имеют много общего в структуре их построения. Следует отме­тить, что так называемые динамические ОЗУ имеют свою особенность структуры.

Рассмотрим наиболее характерные структуры запоми­нающих устройств, которые подразделяют на ЗУ:

• с одномерной адресацией (или структуры 2D и 2DM, или со словарной организацией накопителей);

• с двумерной адресацией (или структуры 3D, или с матричной организацией накопителей).

Структура ЗУ с одномерной адресацией представляет собой матрицу, число строк которой соответ­ствует числу хранимых слов п, а число столбцов — их раз­рядности т (ЗЭ — запоминающий элемент).

Дешифратор DC служит для выбора того или иного слова, разрешая доступ ко всем запоминающим элемен­там (ЗЭ) выбранной строки. Далее в зависимости от ре­жима работы ЗУ осуществляется либо считывание инфор­мации из ячеек выбранной строки, либо запись информации в ячейки выбранной строки. Рассмотренную структуру называют структурой 2D и основным недостат­ком такой структуры является значительное увеличение количества выходов дешифратора при наращивании объе­ма памяти.

Так, для ЗУ с организацией 4x4 требуется дешифратор с четырьмя выходами, а для ЗУ с организацией 256 х 4 требуется дешифратор, имеющий 256 выходов, что сильно усложняет аппаратную реализацию.

Избежать этого можно, если использовать матрицу, длина строки которой многократно превышает разряд­ность хранимых слов. Это ведет к уменьшению числа строк матрицы, а следовательно, к уменьшению числа вы­ходов дешифратора. Из выбранной строки матрицы затем выбирается ее часть, соответствующая тому или иному слову.

Структура такого ЗУ (структура 2DM) содержит де­шифратор для выбора строки матрицы и мультиплексоры для выбора разрядов слова.

Адресный код для выбора того или иного слова в ЗУ содержит к + I разрядов. Часть их к используется для вы­бора строки матрицы из 2^к строк, а другая часть / исполь­зуется для выбора нужного слова в данной строке. Длина строки равна т 2¹, где т — разрядность хранимых слов.

На выходах m мультиплексоров формируется выходное слово, каждый разряд которого выбирается из отрезка строки длиной 2^l.

Так, для ЗУ с организацией 256 х 4 согласно описанно­му принципу можно использовать матрицу размером 32х32 элемента, для доступа к каждому запоминающему элементу которого необходимо восьмиразрядное адресное слово. Пять разрядов этого слова, поступая на дешифратор адреса, выбирают одну из 32 строк матрицы. Три дру­гие разряда адресного слова, поступая на адресные входы четырех мультиплексоров, выбирают из отрезков длиной
2¹ = 8 разрядов один бит каждого слова.

Описанные структуры целесообразно использовать для одновременной записи или считывания слов большой раз­рядности.

Рассмотрим ЗУ с двумерной адресацией, которая по­зволяет осуществлять побитовую запись или считывание информации. ЗУ с такой структурой осуществляют двухкоординатную выборку запоминающих элементов матри­цы, что позволяет упростить дешифраторы адреса, т. е. уменьшить число выходов дешифратора.

Адресный код разрядностью к + l делится на две час­ти: одна (А: разрядов) служит для определения строки, вто­рая (l разрядов) — для определения столбца. Таким обра­зом, выбирается один бит нужного слова, находящийся в 3Э на пересечении активных выходов обоих дешифрато­ров. При построении ЗУ для многоразрядных слов к де­шифраторам DC₁ и DC₂ подключаются па­раллельно несколько матриц М, число которых равно разрядности хранимых слов.

Так, для ЗУ с организацией 256 х 4 требуется 4 матрицы, каждая из которых содержит 16 строк и 16 столбцов. Таким образом, дешифраторы имеют гораздо меньшее число вы­ходов, чем в ЗУ с одномерной адресацией.

ОЗУ (их обозначают английской аббревиатурой RAM) подразделяются на статические и динамические. В стати­ческих ОЗУ запоминающая ячейка представляет собой триггер на биполярных или полевых транзисторах, что определяет потенциальный характер управляющих сигна­лов и возможность считывания информации без ее разру­шения. Статические ОЗУ выполняются по различным тех­нологиям (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, w-МОП, И²Л) и обладают теми же достоинствами и недостатками, что и элементы, изготовленные по той или иной технологии. Так, для по­лучения высокого быстродействия статические ОЗУ вы­полняются по ЭСЛ-технологии, а И²Л-технология позво­ляет увеличивать функциональную плотность ЗУ в несколько раз по сравнению с ТТЛ-технологией. В по­следнее время интенсивно развиваются статические ОЗУ по КМОП-технологии.

Среди отечественных серий микросхем статических ОЗУ серии К500, К1500 выполнены по ЭЛС-технологии, К132, К1809 - по и-МОП-технологии, К176, К561, К573, К581 — по КМОП-технологии, К555 — по ТТЛ-техноло­гии, К541, К185 — по И²Л-технологии.

Благодаря высокому быстродействию статические ОЗУ широко используются в КЭШ-памяти. КЭШ-память (или буферная память) предназначена для запоминания копий информации, передаваемой между различными устрой­ствами, прежде всего между процессором и основной па­мятью различных вычислительных устройств.

КЭШ-память имеет небольшую информационную ем­кость по сравнению с основной памятью, но более высо­кое быстродействие и особенно эффективна, когда требу­ется многократное использование одних и тех же данных.

Так например, микросхема К1500 представляет собой статическое ОЗУ, выполненное по ЭЛС-технологии, име­ющее организацию 64 х 4 и предназначенное для постро­ения локальных и буферных ОЗУ (КЭШ-память).

В динамических ОЗУ элементом памяти является ем­кость (например, входная емкость полевого транзистора), что требует периодического восстановления (регенерации) записанной информации в процессе ее хранения.

ОЗУ динамического типа позволяют реализовать боль­шой объем памяти, но они сложнее в использовании, так как необходимо наличие специальной схемы управления режимами работы. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы регенерации и синхрониза­ции. Такие ОЗУ по внешним сигналам управления не от­личаются от статических ОЗУ.

В обозначении микросхем после номера серии идут две буквы РУ, относящие микросхемы к виду ОЗУ.

Плотность упаковки элементов памяти динамических ОЗУ в несколько раз превышает плотность упаковки в ста­тических ОЗУ, т. е. они имеют большую информационную емкость. Они в несколько раз дешевле статических ОЗУ.

Динамические ОЗУ имеют ряд особенностей, суще­ственно отличающих их от статических, одной из которых является использование в них последовательной адреса­ции.

К динамическим ОЗУ относятся микросхемы серии К565.

Выводы микросхем имеют следующие назначения: CS — выбор микросхемы, А; — адресные входы, DI, —информационные входы, DO; — информационные выхо­ды, W/R — разрешение записи/считывания, RAS — строб адреса строки, CAS — строб адреса столбца, СЕ — сигнал разрешения.

Микросхема К155РУ2 — это статическое ОЗУ с откры­тым коллекторным выходом — выполнена на основе ТТЛ-структур емкостью 64 бит. Имеет структуру 16 х 4, т. е. мо­жет хранить 16 слов длиной 4 разряда каждое.

Микросхема К537РУ8 — это статическое ОЗУ объемом 2 Кбайта, выполнена на основе структур КМОП, по вхо­ду и выходу совместима с ТТЛ-структурами. Имеет дву­направленную 8-разрядную шину данных, которая ис­пользуется и для записи, и для считывания информации.

Микросхема К565РУ5 — это динамическое ОЗУ на ос­нове и-МОП-структур, по входам и выходам совместима с ТТЛ-структурами, имеет организацию 64Кх 1. Шина ад­реса работает в мультиплексном режиме. Вначале на ней выставляются адреса строк, которые запоминаются во внутреннем регистре по спаду сигнала RAS. Затем выстав­ляются адреса столбцов, которые запоминаются по спаду сигнала CAS.

Микросхемы К537РУ8 и К565РУ5 имеют выходы с тре­мя состояниями.

Все ПЗУ можно разделить на следующие группы:

• программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM);

• с однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние мат­рицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначают как ППЗУ или PROM);

• перепрограммируемые (репрограммируемые), с воз­можностью многократного электрического пере­программирования, с ультрафиолетовым (обознача­ют как РПЗУУФ или EPROM) или электрическим (обозначают как РПЗУЭС или EEPROM, или E²PROM) стиранием информации. Для обеспечения возможности объединения по выхо­ду при наращивании памяти все ПЗУ имеют выходы с тре­мя состояниями или открытые коллекторные выходы.

В запоминающие устройства, программируемые при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывает­ся непосредственно в процессе их изготовления с помо­щью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса.

Такие ПЗУ называются масочными ПЗУ, они могут быть построены на диодах, биполярных или МОП-тран­зисторах.

Если соединительный транзистор в данных схемах вы­полнен полностью (без разрыва), то при подаче на соот­ветствующую строку сигнала активного уровня этот транзистор открывается и на столбце, к которому он подключен, появляется логический 0. Если транзистор не подключен к соответствующему столбцу, то активизация соответствующей строки не приводит к закорачиванию столбца и на нем остается логическая 1.

К масочным ПЗУ относят микросхемы серий 155, 568, 1656, 541, 555, 1656, 1801 и др., выполненные по техноло­гии ТТЛ, ТТЛШ, и-МОП, КМОП. Для обозначения дан­ного вида ПЗУ после номера серии помещают две буквы РЕ. Так, микросхемы К155РЕ21 и К155РЕ22 предназначе­ны для воспроизведения соответственно букв русского (за исключением буквы Ъ) и латинского алфавитов, а также некоторых знаков.

В ППЗУ накопитель часто построен на запоминающих ячейках с плавкими перемычками, изготовленными из них­рома или других тугоплавких материалов. Процесс записи состоит в избирательном пережигании плавких перемычек.

Фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ с плавкими перемычками.

Пропуская импульсы тока между соответствующими строками и столбцами матрицы, такие ЗУ можно програм­мировать, расплавляя те или иные перемычки. На рисунке часть перемычек показаны уже разрушенными.

Фрагмент схемы матрицы ППЗУ с многоэмиттерными транзисторами и плавкими перемычками.

Разрушая соответствующие перемычки, осуществляют программирование таких ППЗУ.

ППЗУ выпускаются в составе серий микросхем 155, 541, 565, 1608. В обозначениях таких ЗУ используют буквы РТ.

Так, например, микросхема К541РТ1 выполнена по ТТЛШ-технологии с открытым коллекторным выходом и имеет организацию 256 х 4.

В РПЗУ запоминающие ячейки строятся на основе МОП-технологий. Используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя различ­ными диэлектрическими средами или проводящей и ди­электрической средой.

В первом случае диэлектрик под затвором МОП-тран­зистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуоки­си кремния (SiN₄ — SiO₂). Было обнаружено, что в слож­ной структуре SiN₄ — SiO₂ при изменении электрического напряжения возникает гистерезис заряда на границе раз­дела двух слоев, что и позволяет создавать запоминающие ячейки.

Такие транзисторы называют МНОП-транзисторами в соответствии с их структурой: металл-нитрид кремния-окисел-полупроводник.

Запись информации в ячейки на МНОП-транзисторах осуществляется подачей относительно высоких напряже­ний (около 20 В), а перед записью осуществляется элект­рическое стирание старой информации (запись 0 во все запоминающие элементы). Таким образом, ЗУ на МНОП-транзисторах — это РПЗУ ЭС или EPROM. Они позволя­ют осуществлять 10⁴ — 10⁶ перезаписей, энергонезависи­мы и могут хранить информацию годами.

В обозначении микросхем с электрическим стиранием после номера серии указывают две буквы PP.

Так, микросхема К1601РР1 выполнена на основе p-МНОП-транзисторов, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеет выходы с тремя состояниями и организацию IK x 4. Время хранения информации 500 ча­сов.

Во втором случае основой запоминающей ячейки яв­ляется лавинно-инжекционный МОП-транзистор с пла­вающим затвором (ЛИЗМОП-транзисторы).

В лавинно-инжекционном транзисторе с плавающим затвором при достаточно большом напряжении на стоке происходит обратимый лавинный пробой диэлектрика, и в область плавающего затвора инжектируются носители заряда. Поскольку плавающий затвор окружен диэлектри­ком, то ток утечки мал и хранение информации обеспе­чивается в течение длительного промежутка времени (де­сятки лет). При подаче напряжения на основной затвор происходит рассасывание заряда за счет туннельного эф­фекта, т. е. стирание информации.

С использованием ЛИЗМОП-транзисторов строятся РПЗУ как с ультрафиолетовым (EPROM), так и электри­ческим (E²PROM) стиранием информации.

В ЗУ с ультрафиолетовым стиранием в корпусе микро­схемы имеется специальное прозрачное окошко для облу­чения кристалла, причем информация стирается во всем кристалле.

При электрическом стирании информацию можно сти­рать не со всего кристалла, а выборочно.

Кроме того, длительность электрического стирания значительно меньше, чем ультрафиолетового, а число цик­лов перезаписи значительно больше.

Поэтому ЗУ с электрическим стиранием информации вытесняют ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

В обозначении микросхем с ультрафиолетовым стира­нием после трех цифр серии указывают две буквы РФ.

РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации се­рии 573 выполнены на основе ЛИЗМОП-транзисторов, по входу и по выходу совместимы с ТТЛ-структурами.

Промышленность выпускает большое количество ти­пов микросхем ПЗУ. Укажем в качестве примера две мик­росхемы ПЗУ. На схемах использованы сле­дующие обозначения: Aj— адресные входы; Dj — информационные выходы; CS — выбор микросхемы; СЕ — разрешение выхода.

Микросхема К573РФ5 — это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУУФ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее структуру 2К х 8. По входу и выходу эта микросхема со­вместима с ТТЛ-структурами. Время хранения информа­ции — 50 тыс. часов.

Микросхема К556РТ5 — это однократно программиру­емая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-структур, по вхо­ду и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 512 бит х 8.

Характеристики ПЗУ: