Запоминающие устройства: основные сведения, назначение, классификация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Запоминающие устройства: основные сведения, назначение, классификация

Введение

запоминающий микросхема оперативный тактовый

Системы памяти современных ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для хранения используемой в ЭВМ информации. К этой информации относятся обрабатываемые данные, прикладные программы, системное программное обеспечение и служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.

Ключевым принципом построения памяти в микропроцессорных системах является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками.

1. Классификация запоминающих устройств

В настоящее время существует большое количество различных типов ЗУ, используемых в микропроцессорных системах. Эти устройства различаются рядом признаков: принципом действия, логической организацией, конструктивной и технологической реализацией, функциональным назначением и т.д. Требуемые характеристики памяти достигаются не только за счет применения ЗУ с соответствующими характеристиками, но в значительной степени за счет особенностей ее структуры и алгоритмов функционирования.

Классификация запоминающих устройств и систем памяти позволяет выделить общие и характерные особенности их организации, систематизировать базовые принципы и методы, положенные в основу их реализации и использования.

Важнейшим признаком является способ доступа к данным. По этому признаку различаются 2 вида ЗУ - адресные и последовательные.

Адресные ЗУ: код на адресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен.

Адресные ЗУ: делятся на RAM (Random ACCESS Memory или ОЗУ - оперативные запоминающие устройства) и ROM (Read-Only Memory или ПЗУ - постоянные запоминающие устройства).

RAM делятся на статические - SRAM (Static RAM) и динамические -DRAM (Dynamic RAM).

В статических ОЗУ запоминающими элементами являются триггеры. В динамических ОЗУ данные хранят в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Запоминающие конденсаторы разряжаются, поэтому каждые несколько миллисекунд данные должны регенерироваться

Плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз выше, чем статических. Динамические ОЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невысокой стоимостью, но имеют большее энергопотребление и меньшее быстродействие.

Постоянная память типа ROM имеет следующие разновидности:

Программируемые при изготовлении ИМС с помощью одной из масок. Эта память типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). [ROM(M)]

Память, программируемая пользователем (ППЗУ - программируемые ПЗУ):

PROM - содержимое записывается однократно в память.

EPROM и EEPROM - содержимое может быть заменено путем стирания информации и записи новой. В EPROM - стирание путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами (РПЗУ-УФ - репрограммируемые ПЗУ с УФ стиранием).

В EEPROM - стирание происходит электрическими сигналами (РПЗУ-ЭС - репрограммируемые ПЗУ с электрическим стиранием).

Запись данных для EPROM и E2PROM производится элетрическими сигналами.

Последовательные ЗУ FIFO;

Стековые (LIFO);

В FIFO запись в буфер становится сразу доступной для чтения, т.е. поступает в конец цепочки (First In - First Out) - «первый пришел - первый вышел».

В стековых ЗУ считывание происходит в обратном порядке (последний принят - первый вышел) - LIFO (Last In - First Out).

Рис.1 Классификация запоминающих устройств.

2. Принципы организации запоминающих устройств

Рис.2 Принципы организации ЗУ

Для ПЗУ и статических ОЗУ характерны структуры 2D, 3D и 2DM

2.1 Структура 2D

к - число хранимых слов;

m - разрядность слов;

М = кхт - информационная емкость памяти (в битах).

Дешифратор адресного кода при наличии разрешающего сигнала CS активизирует одну из выходных линий, разрешая доступ ко всем элементам выбранной строки. Элементы одного столбца соединены вертикальной линией - внутренней линии данных (разрядной линией, линией записи/считывания). Направление обмена определяется усилителями записи/чтения под воздействием сигнала R/W (Read - чтение, Write - запись). Структура 2D применяется только в ЗУ малой емкости из-за чрезмерного усложнения дешифратора при росте числа хранимых слов.

2.2 Структура 3D

5.1 Масочные ПЗУ. ПЗУ с УФ и электрическим стиранием

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или Read Only Memory - ROM), которые также часто называют энергонезависимыми (или Non Volatile Storage), обеспечивают сохранение записанной в них информации и при отсутствии напряжения питания. Конечно, под такое определение подпадают и память на жестких и гибких дисках, и компакт диски, и некоторые другие виды ЗУ.

Однако, говоря о постоянных ЗУ, обычно подразумевают устройства памяти с произвольным адресным доступом. Такие ЗУ могут строиться на различных физических принципах и обладать различными характеристиками не только по емкости и времени обращения к ним, но и по возможности замены записанной в них информации.

Масочные ЗУ [ROM(M)]

Элементами связи могут быть диоды, биполярные транзисторы, МОП-транзисторы. Программируются с помощью одной из масок при изготовлении ЗУ.

При наличии диода высокий потенциал выбранной горизонтальной линии передается на соответствующую вертикальную линию и в данном разряде появляется «1».

При возбуждении (высокий потенциал) линии Ш1 считывается слово 11010001. При возбуждении Ш2 считывается слово 10101011. Линии выборки (Ш1-Шn) являются выходами дешифратора адреса.

Матрица МОП-транзисторных элементов

В МОП-транзисторах, соответствующих хранению нуля, увеличивают толщину подзатворного окисла, что ведет к увеличению порогового напряжения транзистора. В этом случае рабочие напряжения не могут открыть транзистор, что соответствует его отсутствию.

Масочные ЗУ отличаются высоким уровнем интеграции.

Область применения: хранение стандартной информации, имеющей широкий круг потребителей. Это прошивка кодов букв русского и латинского алфавита, таблицы типовых функций (sin, квадратичной функции и др.), стандартное программное обеспечение и т.п.

ЗУ типа PROM

Такие ЗУ программируются пользователем устранением или созданием перемычек.

Устранение части перемычек свойственно ЗУ с плавкими перемычками (типа fuse - предохранитель). В исходном состоянии ЗУ имеет все перемычки, а при программировании часть их ликвидируется путем расплавления импульсами тока (большой амплитуды и длительности). Эти перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов. Изготавливаются металлическими (нихром) и поликристаллическими (кремниевыми).

Другой тип перемычки: два встречно включенных диода. В исходном состоянии цепь можно считать разомкнутой. Для записи «1» к диодам прикладывается высокое напряжение, пробивающее диод, смещенный в обратном направлении. Диод пробивается с образованием в нем короткого замыкания.

Представителем ЗУ с плавкими перемычками является м/сх К155РЕ3 (ТТЛ). Плавкие перемычки занимают довольно много места, поэтому уровень (степень) интеграции ниже, чем у масочных ЗУ. Однако имеют невысокую стоимость, т.к. изготовитель выпускает микросхему без учета конкретного содержимого ЗУ. Программирует ЗУ пользователь.

Среди отечественных PROM ведущее место занимают микросхемы серии К556. Емкость 1-64 Кбит и тдоступа=70-90 нс.

5.2 ЗУ типов EPROM и E2PROM

Флэш-память, появившаяся в конце 1980-х годов (Intel), является представителем класса перепрограммируемых постоянных ЗУ с электрическим стиранием. Однако стирание в ней осуществляется сразу целой области ячеек: блока или всей микросхемы. Это обеспечивает более быструю запись информации или, как иначе называют данную процедуру, программирование ЗУ. Для упрощения этой процедуры в микросхему включаются специальные блоки, делающие запись “прозрачной” (подобной записи в обычное ЗУ) для аппаратного и программного окружения.

Флэш-память строится на однотранзисторных элементах памяти (с “плавающим” затвором), что обеспечивает плотность хранения информации даже несколько выше, чем в динамической оперативной памяти. Существуют различные технологии построения базовых элементов флэш-памяти, разработанные ее основными производителями. Эти технологии отличаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также структурной организацией, что отражается в их названии. Наиболее широко известны NOR и NAND типы флэш-памяти, запоминающие транзисторы в которых подключены к разрядным шинам, соответственно, параллельно и последовательно.

Первый тип имеет относительно большие размеры ячеек и быстрый произвольный доступ (порядка 70 нс), что позволяет выполнять программы непосредственно из этой памяти. Второй тип имеет меньшие размеры ячеек и быстрый последовательный доступ (обеспечивая скорость передачи до 16 Мбайт/с), что более пригодно для построения устройств блочного типа, например “твердотельных дисков”.

Способность сохранять информацию при выключенном питании, малые размеры, высокая надежность и приемлемая цена привели к широкому ее распространению. Этот вид памяти применяется для хранения BIOS, построения так называемых “твердотельных” дисков (memory stick, memory drive и др.), карт памяти различного назначения и т.п. Причем устройства на основе флэш-памяти используются не только в ЭВМ, но и во многих других применениях.

К минусам данного вида памяти можно отнести относительно невысокую скорость передачи данных, средний объем и дороговизну устройств с большой емкостью (свыше 512 Мбайт и более).

РПЗУ на МНОП-транзисторах энергонезависимы и могут хранить информацию десятками лет. Старая информация стирается записью нулей во все ЛЭ. Тип ЗУ - РПЗУ-ЭС.

Транзисторы имеют плавающий затвор из поликремния. На рис.8 он является вторым, дополнительным к управляющему затвору. Такие транзисторы используются в РПЗУ-УФ и в РПЗУ-ЭС.

Принцип работы: в плавающий затвор вводится заряд, влияющий на величину порогового напряжения. Он сохраняется там в течении длительного времени. При подачи напряжения на управляющий затвор, сток и исток импульса положительного напряжения 20…25 В в р-n-переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщается электронами. Часть электронов с высокой энергией проникает через потенциальный барьер в плавающий затвор, где и сохраняется многие годы. Отрицательный заряд плавающего затвора увеличивает пороговое напряжение настолько, что транзистор всегда закрыт. При отсутствии заряда транзистор работает в обычном ключевом режиме. Для стирания информации УФ лучами в корпусе делают окошко. УФ лучи вызывают фототоки и тепловые токи и заряды покидают плавающий затвор. Время стирания - десятки минут. Число циклов - 10…100. При электронном стирании на затвор подается ноль Вольт, а на сток и исток - высокое напряжение. Число циклов 104…106. ЭС стирание вытесняет УФ стирание. Среди отечественных РПЗУ-УФ известна серия К573, а среди РПЗУ-ЭС - серии КР558 (n-МОП) и К1609, К1624, К1626 на ЛИЗМОП.

Размещено на Allbest.ru