Кр вуз фпт

Вид материала

Конспект

Содержание План лекции По назначению По технологии Основные параметры Потребляемая мощность 5.2.2. Структуры запоминающих устройств Рис. 5.11 Структура ЗУ с одномерной адресацией 2DМ 5.2.3. Оперативные запоминающие устройства В динамических ОЗУ Рис. 5.13 Примеры микросхем ОЗУ Микросхема К537РУ8 Микросхема К565РУ5 5.2.4. Постоянные запоминающие устройства Програмируемые ПЗУ. Програмируемые ПЗУ Рис.5.2 Фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ с плавкими перемычками Рис.5.3 Фрагмент схемы матрицы ППЗУ Перепрограмируемые ПЗУ PP. Так, микросхема К1601РР1 Рис. 5.4 Упрощенная структура ячейки лавинно-инжекционный МОП-транзистор с пла­вающим затвором ... Полное содержание

Подобный материал:

• К вопросу о создании асу вуз: Проблемы создания и внедрения, 16.08kb.
• Программа : Учебная программа имеет модульную структуру и состоит из: обязательных, 93.82kb.
• Работа выполнена в научно-исследовательском секторе Школы-студии (вуз) им. Вл. И. Немировича-Данченко, 7376.04kb.
• Д. Е. Бурланков Все физические явления разворачиваются в пространстве с течением времени:, 268kb.
• В г. Ростове-на-Дону > I. Общие положения нир является одним из основных направлений, 69.33kb.
• Преемственность в обеспечении непрерывного экономического образования в системе «школа-ссуз-вуз», 463.36kb.
• Всероссийский конкурс «директор школы 2010» Принятие управленческих решений в организации, 816.08kb.
• Сегодня дпи нгту единственный в Нижегородском регионе вуз, где готовят инженеров химического, 79.68kb.
• Instituto Superior Tecnico крупнейший, наиболее престижный инженерный вуз Португалии,, 14.38kb.
• Гневашева В. А. Российский студент: социальный облик. По материалам мониторинга «Российский, 1950.72kb.

Тема 5 : Схемотехника основных узлов цифровых схем

План лекции:

• Цифровые запоминающие устройства.
  
• Общая характеристика
  
• Структуры запоминающих устройств
  
• Оперативные запоминающие устройства
  

2. Цифровые запоминающие устройства
   

5.2.1. Общая характеристика устройств

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 (л-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.

Основные параметры.

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 m разрядов, то информационная емкость N определяется выражением N = п • m.

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).

5.2.2. Структуры запоминающих устройств

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 (рис. 5.9), число строк которой соответ­ствует числу хранимых слов n, а число столбцов — их раз­рядности m (ЗЭ — запоминающий элемент).



Рис. 5.10 Структура ЗУ с одномерной адресацией 2D

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 (рис. 5.11).



Рис. 5.11 Структура ЗУ с одномерной адресацией 2DМ


Адресный код для выбора того или иного слова в ЗУ содержит k + L разрядов. Часть их k используется для вы­бора строки матрицы из 2^k строк, а другая часть L исполь­зуется для выбора нужного слова в данной строке. Длина строки равна m • 2^L, где m — 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 32 х 32 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 2^l = 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 двух-координатную выборку запоминающих элементов матри­цы, что позволяет упростить дешифраторы адреса, т. е. уменьшить число выходов дешифратора.

Структура такого ЗУ с произвольным доступом к одно­му биту выбираемого слова приведена на рис. 5.12.



Рис. 5.12 Структура ЗУ с двумерной адресацией 3D


Адресный код разрядностью к + L делится на две части: одна (к разрядов) служит для определения строки, выго­рая (L разрядов) — для определения столбца. Таким обра­зом, выбирается один бит нужного слова, находящийся в ЗЭ на пересечении активных выходов обоих дешифрато­ров. При построении ЗУ для многоразрядных слов к де­шифраторам DC₁ и DC₂ (см. рис. 3,126) 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 (см. рис. 3.124).

5.2.3. Оперативные запоминающие устройства

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, »-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 /г-МОП-технологии, К176, К561, К57Э, К581 — по КМОП-технологии» К555 — по ТТЛ-техноло-гии, 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.

Рассмотрим в качестве примера некоторые микросхе­мы ОЗУ (рис.5.13).

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.


Выводы микросхем имеют следующие назначения:

CS — выбор микросхемы, А_i— адресные входы,

DIi — информационные входы,

DO_i — информационные выхо­ды,

W/R — разрешение записи/считывания,

RAS — строб адреса строки,

CAS — строб адреса столбца,

СЕ — сигнал разрешения


Рис. 5.13 Примеры микросхем ОЗУ


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.

К динамическим ОЗУ относятся микросхемы серии К565.

Микросхема К565РУ5 — это динамическое ОЗУ на ос­нове n-МОП-структур, по входам и выходам совместима с ТТЛ-структурами, имеет организацию 64К х 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.


Контрольные вопросы

1. Расскажите о назначении цифрового ЗУ и их классификации.
   
2. Перечислите основные параметры ЗУ.
   
3. Расскажите о различных структурах ЗУ.
   
4. Расскажите о работе Структуры ЗУ с одномерной адресацией.
   
5. Расскажите о работе Структуры ЗУ с двумерной адресацией.
   
6. Расскажите об оперативном ЗУ: обозначение, запоминающая ячейка, виды.
   
7. Расскажите о статическом ЗУ и приведите примеры м/сх.
   
8. Расскажите о динамическом ЗУ и приведите примеры м/сх.
   
9. Где применяются статические и динамические ЗУ.
   

Лекция 12

Тема 5 : Схемотехника основных узлов цифровых схем

План лекции:

• Постоянные запоминающие устройства
  
• Флэш-память
  

5.2.4. Постоянные запоминающие устройства

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.
  

Програмируемые ПЗУ.

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.

Фрагменты схемы матрицы масочных ПЗУ на биполярных транзисторах приведены на рис.5.1

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 подключей, появляется логический 0.

Если транзистор не подключен к соответствующему столбцу, то активизация соответствующей строки ие приводит к закорачиванию столбца я на нем остается логическая 1.


Рис. 5.1 Фрагменты схемы матрицы масочных ПЗУ на биполярных транзисторах

К масочным ПЗУ относят микросхемы серий 155, 568, 1656, 541, 555,1656,1801 и др., выполненные по техноло­гии ТТЛ, ТТЛШ, n-МОП, КМОП.

Для обозначения дан­ного вида ПЗУ после номера серии помещают две буквы РЕ. Так, микросхемы К555РЕ21 и К155РЕ22 предназначе­ны для воспроизведения соответственно букв русского (за исключением буквы Ъ) и латинского алфавитов, а также некоторых знаков.

Програмируемые ПЗУ

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 приведен на рис. 5.2




Пропуская импульсы тока между соответствующими строками и столбцами матрицы, такие ЗУ можно програм­мировать, расплавляя те или иные перемычки.

Рис.5.2 часть перемычек показаны уже разрушенными.


Рис.5.2 Фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ с плавкими перемычками

Разрушая соответствующие перемычки» осуществляют программирование таких ППЗУ

Фрагмент схемы матрицы ППЗУ еще одного типа при­веден на рис.5.3

Здесь запоминающий элемент представляет собой два встречно включенных диода и сопротивление такой це­почки изначально велико в отличие от цепей с плавкими перемычками. В исходном состоянии запоминающий эле­мент хранит логический 0, а не 1, как в ППЗУ с плавки­ми перемычками. Программирование (запись 1) осуще­ствляют приложением между соответствующими строками и столбцами повышенного напряжения, что приводит к пробою диода, смещенного в обратном направлении, с образованием в нем короткого замыкания.

Рис.5.3 Фрагмент схемы матрицы ППЗУ

Образовавшееся короткое замыкание играет роль про­водящей перемычки.

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.

Перепрограмируемые ПЗУ.

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 — Si0₂). Было обнаружено, что в слож­ной структуре SiN₄ — Si0₂ 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 р-МНОП -транзисторов, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеет выходы с тремя состояниями и организацию 1K x 4. Время хранения информации 500 ча­сов.

Во втором случае основой запоминающей ячейки яв­ляется лавинно-инжекционный МОП-транзистор с пла­вающим затвором (ЛИЗМОП-транзисторы). Упрощенная структура такого транзистора приведена на рис. 5.4.

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).

Рис. 5.4 Упрощенная структура ячейки лавинно-инжекционный МОП-транзистор с пла­вающим затвором

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.

Приведем некоторые характеристики ПЗУ.

Тип ПЗУ	Быстродей­ствие, НС	Потребляемая мощность, МВт/бит	Информационная емкость, Кбит
ПЗУ и ППЗУ на биполярных струк­турах	15-150	0,01-0,8	<64
ПЗУ и ППЗУ на МОП-структурах	70-4000	0,01-0,3	<256
РПЗУ	50-1500	<0,1	<256

Промышленность выпускает большое количество ти­пов микросхем ПЗУ.

Укажем в качестве примера две мик­росхемы ПЗУ (рис. 5.5).

На схемах использованы сле­дующие обозначения: А_i — адресные входы;

D_i — информационные выходы;

CS — выбор микросхемы;

СЕ — разрешение выхода


Рис. 5.5 Пример микросхем ПЗУ

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 битх 8.


5.2.5. Флэш-память

По основным принципам работы и типу запоминаю­щих элементов Флэш-память (Flash-Memory) подобна ППЗУ с электрической записью и стиранием информации. Флэш-память имеет ряд особенностей, что и позволяет выделить ее в отдельный класс. В ней осуществляется сти­рание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдель­ных слов (Flash-вспышка, мгновение).

Флэш-память предназначена для хранения редко об­новляемой информации и замены памяти на магнитных дисках (жесткий диск) в портативных компьютерах.

Матрица запоминающих элементов Флэш-памяти, по­строенная на ЛИЗМОП-транзисторах с их параллельным включением, обеспечивает режим быстрого произвольно­го доступа и используется для построения памяти хране­ния редко обновляемой информации.

Так, фирма Intel разработала Флэш-память, которая допускает до 10⁵ Циклов стирания, причем время стирания и время программирования всей памяти составляет 0,6— 4 с для памяти емкостью 256 Кбит—2 Мбит, а время дос­тупа при чтении составляет примерно 100 нc.

Для замены файлов на магнитных дисках разработана файловая Флэш-память (Flash-File-Memory), в которой накопитель (матрица запоминающих элементов) делится на блоки, являющиеся аналогами секторов магнитных дисков.

Так, файловая Флэш-память фирмы Intel имеет инфор­мационную емкость до 32 Мбит (организация 2М х 16 или 4М х 8) при времени доступа 70—150 нc и допускает до 10⁶ циклов стирания на блок.


Контрольные вопросы

1. Как можно разделить ПЗУ по группам.
   
2. Приведите фрагмент схемы масочного ПЗУ и объясните принцип записи.
   
3. Приведите фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ и объясните принцип записи.
   
4. Расскажите о перепрограммируемых ПЗУ и объясните их достоинства.
   
5. Объясните как обозначаются м/схемы разных видов ПЗУ.
   

Вопросы для самопроверки по темам.