Bardzo często w różnych zastosowaniach konieczne jest przechowywanie informacji, które nie zmieniają się w trakcie pracy urządzenia. Są to informacje takie jak programy w mikrokontrolerach, programy ładujące (BIOS) w komputerach, tablice współczynników filtrów cyfrowych w procesorach sygnałowych oraz tablice sinusów i cosinusów w NCO i DDS. Prawie zawsze ta informacja nie jest jednocześnie wymagana, dlatego najprostsze urządzenia do przechowywania trwałej informacji (ROM) można budować na multiplekserach. Czasami w tłumaczonej literaturze trwałe urządzenia pamięci masowej nazywane są ROM (pamięć tylko do odczytu). Schemat takiej pamięci tylko do odczytu (ROM) pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1. Obwód pamięci tylko do odczytu (ROM) zbudowanej na multiplekserze.
W tym obwodzie zbudowane jest urządzenie pamięci tylko do odczytu z ośmioma jednobitowymi komórkami. Zapisanie określonego bitu w komórce jednocyfrowej odbywa się poprzez przylutowanie przewodu do źródła zasilania (zapisanie jedynki) lub uszczelnienie przewodu do obudowy (zapisanie zera). Na schematach obwodów takie urządzenie jest oznaczone jak pokazano na rysunku 2.
Rysunek 2. Oznaczenie urządzenia pamięci trwałej na schematach połączeń.
Aby zwiększyć pojemność komórki pamięci ROM, mikroukłady te można połączyć równolegle (wyjścia i zapisane informacje pozostają oczywiście niezależne). Schemat połączeń równoległych jednobitowych pamięci ROM pokazano na rysunku 3.
Rysunek 3. Schemat wielobitowej pamięci tylko do odczytu (ROM).
W prawdziwych ROMach informacja jest zapisywana przy użyciu ostatniej operacji produkcji chipa - metalizacji. Metalizację przeprowadza się za pomocą maski, dlatego nazywane są takie ROMy maski ROM. Kolejną różnicą pomiędzy prawdziwymi mikroukładami a uproszczonym modelem podanym powyżej jest zastosowanie, oprócz multipleksera, a. To rozwiązanie umożliwia przekształcenie jednowymiarowej struktury pamięci w dwuwymiarową, a tym samym znaczne zmniejszenie objętości obwodu dekodera wymaganego do działania obwodu ROM. Sytuację tę ilustruje poniższy rysunek:
Rysunek 4. Schemat zamaskowanej pamięci tylko do odczytu (ROM).
Maski ROM są przedstawione na schematach obwodów, jak pokazano na rysunku 5. Adresy komórek pamięci w tym chipie są podawane na piny A0 ... A9. Chip jest wybierany sygnałem CS. Za pomocą tego sygnału można zwiększyć głośność pamięci ROM (przykład użycia sygnału CS podano w dyskusji). Odczyt mikroukładu odbywa się za pomocą sygnału RD.
Rysunek 5. Maska ROM (ROM) na schematach obwodów.
Programowanie ROM maski odbywa się w fabryce producenta, co jest bardzo uciążliwe przy małych i średnich seriach produkcyjnych, nie mówiąc już o etapie rozwoju urządzenia. Oczywiście w przypadku produkcji na dużą skalę pamięci ROM z maską są najtańszym typem pamięci ROM i dlatego są obecnie szeroko stosowane. Dla małych i średnich serii produkcyjnych sprzętu radiowego opracowano mikroukłady, które można programować w specjalnych urządzeniach - programatorach. W tych ROM-ach stałe połączenie przewodów w matrycy pamięci zostało zastąpione topliwymi ogniwami wykonanymi z polikrystalicznego krzemu. Podczas produkcji pamięci ROM zakładane są wszystkie zworki, co jest równoznaczne z zapisaniem jednostek logicznych do wszystkich komórek pamięci ROM. Podczas procesu programowania ROM zwiększona moc jest dostarczana do styków zasilania i wyjść mikroukładu. W takim przypadku, jeśli napięcie zasilania (jednostka logiczna) zostanie dostarczone na wyjście pamięci ROM, wówczas przez zworkę nie przepłynie żaden prąd, a zworka pozostanie nienaruszona. Jeśli na wyjście pamięci ROM (podłączonej do obudowy) zostanie przyłożone niskie napięcie, wówczas przez zworkę matrycy pamięci przepłynie prąd, który go odparuje, a następnie, gdy informacja zostanie odczytana z tej komórki ROM, pojawi się zostanie odczytane zero logiczne.
Takie mikroukłady nazywane są programowalny ROM (PROM) lub PROM i są przedstawione na schematach obwodów, jak pokazano na rysunku 6. Jako przykład PROM możemy wymienić mikroukłady 155PE3, 556RT4, 556RT8 i inne.
Rysunek 6. Oznaczenie graficzne programowalnej pamięci tylko do odczytu (PROM) na schematach obwodów.
Programowalne pamięci ROM okazały się bardzo wygodne w produkcji na małą i średnią skalę. Jednak przy opracowywaniu urządzeń radioelektronicznych często konieczna jest zmiana programu zapisanego w pamięci ROM. W takim przypadku pamięci EPROM nie można ponownie wykorzystać, więc po zapisaniu pamięci ROM, jeśli wystąpi błąd lub program pośredni, należy ją wyrzucić, co w naturalny sposób zwiększa koszty rozwoju sprzętu. Aby wyeliminować tę wadę, opracowano inny typ pamięci ROM, którą można wymazać i przeprogramować.
ROM kasowalny UV zbudowany jest w oparciu o macierz pamięci zbudowaną na komórkach pamięci, której wewnętrzną strukturę przedstawia poniższy rysunek:
Rysunek 7. Komórka pamięci ROM kasowalna promieniami UV i elektrycznie.
Ogniwo to tranzystor MOS, w którym bramka wykonana jest z krzemu polikrystalicznego. Następnie w procesie produkcji chipa bramka ta ulega utlenieniu i w rezultacie zostanie otoczona tlenkiem krzemu, dielektrykiem o doskonałych właściwościach izolacyjnych. W opisywanym ogniwie, przy całkowicie wymazanej pamięci ROM, w bramce pływającej nie ma ładunku, dlatego tranzystor nie przewodzi prądu. Podczas programowania pamięci ROM do drugiej bramki znajdującej się nad bramką pływającą przykładane jest wysokie napięcie, a w bramce pływającej indukowane są ładunki w wyniku efektu tunelowania. Po odłączeniu napięcia programowania indukowany ładunek pozostaje na bramce pływającej, a zatem tranzystor nadal przewodzi. Ładunek pływającej bramki takiego ogniwa może być przechowywany przez dziesięciolecia.
Schemat blokowy opisywanej pamięci tylko do odczytu nie różni się od opisanej wcześniej maski ROM. Jedyną różnicą jest to, że zamiast zworki topliwej zastosowano opisane powyżej ogniwo. Ten typ pamięci ROM nazywany jest reprogramowalną pamięcią tylko do odczytu (EPROM) lub EPROM. W pamięci ROM wcześniej zapisane informacje są usuwane za pomocą promieniowania ultrafioletowego. Aby światło mogło swobodnie przechodzić do kryształu półprzewodnika, w obudowę chipa ROM wbudowane jest okno ze szkła kwarcowego.
Kiedy układ EPROM zostanie napromieniowany, właściwości izolacyjne tlenku krzemu zostaną utracone, nagromadzony ładunek z bramki pływającej przepływa do objętości półprzewodnika, a tranzystor komórki pamięci przechodzi w stan wyłączony. Czas kasowania chipa RPOM wynosi od 10 do 30 minut.
Liczba cykli zapisu i kasowania chipów EPROM waha się od 10 do 100 razy, po czym chip EPROM ulega awarii. Wynika to z destrukcyjnego wpływu promieniowania ultrafioletowego na tlenek krzemu. Jako przykład mikroukładów EPROM możemy wymienić mikroukłady serii 573 produkcji rosyjskiej i mikroukłady serii 27cXXX produkcji zagranicznej. RPOM najczęściej przechowuje programy BIOS komputerów uniwersalnych. ROMy są przedstawione na schematach obwodów, jak pokazano na rysunku 8.
Rysunek 8. Oznaczenie graficzne pamięci EPROM na schematach połączeń.
Tak więc obudowy z oknem kwarcowym są bardzo drogie, a także niewielka liczba cykli zapisu i kasowania, co doprowadziło do poszukiwania sposobów elektrycznego usuwania informacji z pamięci ROM. Na tej drodze napotkano wiele trudności, które zostały już praktycznie rozwiązane. Obecnie mikroukłady z elektrycznym usuwaniem informacji są dość powszechne. Jako komórka pamięci wykorzystują te same komórki, co w pamięci ROM, ale są usuwane przez potencjał elektryczny, więc liczba cykli zapisu i kasowania dla tych mikroukładów sięga 1 000 000 razy. Czas kasowania komórki pamięci w takich ROMach jest skrócony do 10 ms. Obwód sterujący elektrycznie kasowalnych programowalnych pamięci ROM okazał się złożony, dlatego pojawiły się dwa kierunki rozwoju tych mikroukładów:
Elektrycznie kasowalne pamięci EEPROM są droższe i mają mniejszą objętość, ale umożliwiają osobne przepisanie każdej komórki pamięci. W rezultacie te chipy mają maksymalną liczbę cykli zapisu i kasowania. Obszar zastosowania elektrycznie kasowalnej pamięci ROM to przechowywanie danych, których nie należy usuwać po wyłączeniu zasilania. Takie mikroukłady obejmują mikroukłady krajowe 573РР3, 558РР3 i zagraniczne mikroukłady EEPROM serii 28cXX. Elektrycznie kasowalne pamięci ROM są oznaczone na schematach obwodów, jak pokazano na rysunku 9.
Rysunek 9. Oznaczenie graficzne elektrycznie kasowanej pamięci tylko do odczytu (EEPROM) na schematach obwodów.
Ostatnio pojawiła się tendencja do zmniejszania rozmiaru EEPROM poprzez zmniejszanie liczby zewnętrznych pinów mikroukładów. W tym celu adres i dane są przesyłane do i z chipa za pośrednictwem portu szeregowego. W tym przypadku stosowane są dwa typy portów szeregowych - port SPI i port I2C (odpowiednio mikroukłady serii 93cXX i 24cXX). Zagraniczna seria 24cXX odpowiada krajowej serii mikroukładów 558PPX.
ROMy FLASH różnią się od EEPROM tym, że kasowanie nie jest wykonywane na każdej komórce osobno, ale na całym mikroukładzie jako całości lub na bloku matrycy pamięci tego mikroukładu, tak jak miało to miejsce w EEPROM.
Rysunek 10. Oznaczenia graficzne pamięci FLASH na schematach połączeń.
Aby uzyskać dostęp do urządzenia pamięci trwałej, należy najpierw ustawić adres komórki pamięci na szynie adresowej, a następnie wykonać operację odczytu z chipa. Ten schemat czasowy pokazano na rysunku 11.
Rysunek 11. Wykresy czasowe sygnałów odczytu informacji z pamięci ROM.
Na rysunku 11 strzałki pokazują kolejność, w jakiej powinny być generowane sygnały sterujące. Na tym rysunku RD to sygnał odczytu, A to sygnały wyboru adresu komórki (ponieważ poszczególne bity szyny adresowej mogą przyjmować różne wartości, pokazane są ścieżki przejścia zarówno do stanu jedynkowego, jak i zerowego), D to odczytana informacja wyjściowa z wybranej komórki ROM.
Literatura:
Wraz z artykułem „Urządzenia pamięci tylko do odczytu (ROM)” czytaj:
http://site/digital/SintSxem.php
Jeśli istnieją procesory RISC, są one bliskie wykonania jednej instrukcji w każdym cyklu zegara.
Ponadto wraz z uproszczeniem procesora liczba tranzystorów wymaganych do jego wdrożenia maleje, dlatego zmniejsza się powierzchnia chipa. A to wiąże się z obniżeniem kosztów i zużycia energii.
Należy także pamiętać, że procesory RISC ze względu na swoją prostotę nie podlegają opatentowaniu. Ułatwia to także ich szybki rozwój i powszechną produkcję. Tymczasem zredukowany zestaw RISC zawiera tylko najczęściej używane polecenia. Szereg rzadkich instrukcji procesora CISC jest wykonywanych poprzez sekwencje instrukcji procesora RISC.
Później pojawiła się koncepcja procesorów MISC, wykorzystujących minimalny zestaw długich instrukcji. W ślad za nimi pojawiły się procesory VLIW, pracujące z ultradługimi instrukcjami. Szybkość procesora mierzona jest w milionach operacji na sekundę MIPS.
W W urządzeniach mikroprocesorowych pamięć służy do przechowywania danych początkowych programów przetwarzających informacje dla pośrednich i końcowych wyników obliczeń.
Istnieją dwa główne typy pamięci:
∙RAM to urządzenie pamięci o dostępie swobodnym służące do przechowywania danych, dlatego pamięć ta nazywana jest również pamięcią danych. Liczba cykli odczytu i zapisu w pamięci RAM nie jest ograniczona, ale po wyłączeniu napięcia zasilania wszystkie informacje zostaną utracone;
W We współczesnych mikroprocesorach pamięć RAM jest systemem wielopoziomowym, w którym rozróżnia się poziomy dodatkowej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM), RAM, pamięci buforowej (BZU) i pamięci zewnętrznej (VRAM).
Każdy kolejny poziom różni się od poprzedniego pojemnością i wydajnością.
Pojemność to maksymalna ilość informacji, jaką można przechowywać w pamięci.
Wydajność charakteryzuje się czasem trwania operacji odczytu i zapisu – dwóch głównych operacji wykonywanych przez pamięć.
Dla wskazanych poziomów pamięci pojemność wzrasta w kierunku od SRAM do VRAM, a wydajność w kierunku przeciwnym.
∙ROM to urządzenie pamięci tylko do odczytu przeznaczone do przechowywania programów, dlatego pamięć ta jest często nazywana pamięcią kodową lub pamięcią programu. Chipy ROM są w stanie zachować informacje po wyłączeniu zasilania, ale można je zaprogramować tylko raz lub bardzo ograniczoną liczbę razy.
Główne cechy pamięci, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu systemów:
∙Pojemność pamięci zależy od liczby bitów przechowywanych informacji. Pojemność kryształu jest również zwykle wyrażana w bitach. Ważną cechą kryształu jest organizacja informacyjna kryształu pamięci MxN, gdzie M to liczba słów, N to szerokość słowa. Jednocześnie pamięć o większej szerokości próbkowania ma większą pojemność informacyjną.
∙Chwilowa charakterystyka pamięci.
1.1 Czas dostępu to przedział czasu wyznaczany od chwili, gdy procesor centralny umieścił na szynie adresowej adres wymaganej komórki pamięci i wysłał rozkaz odczytu lub zapisu danych poprzez szynę sterującą, do chwili, gdy komórka adresowalna skomunikuje się z danymi autobus.
o Czas odzyskiwania to czas wymagany do przywrócenia pamięci do pierwotnego stanu po usunięciu przez procesor adresu z SH, sygnału „odczytu” lub „zapisu” z SH oraz danych z karty SD.
∙Określony koszt nośnika danych określany jest stosunkiem jego kosztu do pojemności informacyjnej, tj. zależy od kosztu bitu przechowywanej informacji.
∙Zużycie energii (lub rozpraszanie mocy) jest podane dla dwóch trybów pracy kryształu: trybu pasywnego przechowywania informacji i trybu aktywnego, gdy operacje zapisu i odczytu wykonywane są z prędkością nominalną.
∙Gęstość upakowania zależy od powierzchni elementu akumulującego i zależy od liczby tranzystorów w obwodzie elementu oraz zastosowanej technologii. Największą gęstość upakowania osiągnięto w kryształach pamięci dynamicznej.
∙Dopuszczalna temperatura otoczenia jest zwykle określana oddzielnie dla pracy aktywnej, przechowywania pasywnego i braku zasilania. Wskazany jest rodzaj obudowy, jeśli jest ona standardowa, lub rysunek obudowy ze wskazaniem wszystkich wymiarów, oznaczeń i numeracji styków, jeśli obudowa jest nowa. Podano także warunki pracy: stanowisko pracy, obciążenie mechaniczne, dopuszczalną wilgotność i inne.
Istnieją następujące główne typy pamięci ROM:
∙mask ROM - programuje się je w procesie produkcyjnym poprzez nałożenie maski zworek zamkniętych (wysoki poziom) i otwartych (niski poziom), ten typ ROM jest najtańszy, ale musi być produkowany w dużych ilościach;
∙ ROM ze zworkami topliwymi lub programowalny elektrycznie (EPROM) - te mikroukłady są programowane przez konsumenta poprzez przepuszczanie impulsów prądowych aż do zniszczenia zworek odpowiadających bitom, które powinny wynosić zero;
∙reprogramowalna pamięć ROM z elektrycznym zapisem informacji i kasowaniem przez promieniowanie ultrafioletowe (UFPZU) - podstawą komórki pamięci mikroukładu tego typu jest tranzystor MOS z całkowicie izolowaną „pływającą” bramką podczas programowania, tlenek przebija się i na bramce gromadzi się ładunek, który pozostaje tam do czasu, aż mikroukład zostanie poddany działaniu promieniowania UV, pod jego wpływem tlenek staje się przewodzący; rezystancja kanału tranzystora zależy od ładunku na bramce i będzie determinować bit zapisany do komórki;
∙ Elektrycznie kasowalna pamięć ROM (EEPROM) jest zaprojektowana podobnie do UFPROM, ale kasowanie następuje, podobnie jak zapis, po przyłożeniu impulsów napięcia; Jest to najdroższy, ale także najwygodniejszy typ pamięci ROM.
∙Pamięć FLASH jest obecnie najpopularniejsza. Jego główną zaletą jest to, że zbudowany jest na zasadzie reprogramowalności elektrycznej, czyli umożliwia wielokrotne kasowanie i zapisywanie informacji za pomocą programistów. Minimalna gwarantowana liczba cykli zapisu/kasowania zwykle przekracza kilka tysięcy. Znacząco wydłuża to cykl życia i zwiększa elastyczność układów mikroprocesorowych, gdyż umożliwia wprowadzanie zmian w programie mikroprocesorowym zarówno na etapie rozwoju systemu, jak i podczas jego pracy w rzeczywistym urządzeniu.
Istnieją dwa typy układów RAM:
∙statyczna pamięć RAM, w której podstawą komórki pamięci jest wyzwalacz;
61 PÓŁPRZEWODNIK
URZĄDZENIA MAGAZYNOWE
Urządzenia pamięci masowej tylko do odczytu to pamięć o dostępie swobodnym, która może tylko odczytywać dane. Typową strukturę pamięci ROM pokazano na rys. 5.12a. Obwód ROM ma wiele wspólnego z obwodem RAM (ryc. 5.5).
Ryż. 5.12. ROM o organizacji 16 słów x 1 cyfra:
a – schemat, b – UGO
W W węzłach matrycy utworzonej przez układ szyn poziomych i pionowych znajdują się elementy pamięci - tranzystory. Zarówno bipolarne, jak i MOSFETy. Bazy (bramki) tranzystorów są podłączone do szyn poziomych (adresowych), emitery (źródła) są podłączone poprzez zworkę do szyn pionowych (bitowych).
Obecność zworki oznacza, że w elemencie pamięci zapisana jest wartość 1. Jeżeli brakuje zworki (lub tranzystora), oznacza to, że w elemencie pamięci zapisana jest wartość 0.
Wyjścia dekodera są podłączone do szyn adresowych, na których wejścia odbierana jest część bitów kodu adresowego. Linie bitowe są podłączone do wejść multipleksera, którego wejścia adresowe otrzymują drugą część kodu adresowego ROM. Multiplekser ma wyjście z
trzy stany (jeśli G 1 = G 2 = 0, to jeden z sygnałów informacyjnych przechodzi na wyjście Q, jeśli jeden z sygnałów nie jest równy 0, to wyjście Q znajduje się w trzecim stanie).
Kiedy kod adresowy dotrze na jedną z szyn adresowych Y i
zostanie ustalony wysoki poziom napięcia, otwierający tranzystory - elementy napędu jednej linii. Tranzystory przesyłają wysoki poziom poprzez zworki do odpowiednich linii bitowych. Jeśli na przecięciu niektórych autobusów pionowych z wybraną linią nie będzie zworek, to autobusy te pozostaną niskie. Sygnały z linii bitowych podawane są na wejścia multipleksera, który przekazuje jeden z sygnałów na wyjście Q. To, która z linii bitowych zostanie podłączona do wyjścia, zależy od części kodu adresowego ROM dostarczonego na wejścia adresowe multipleksera. Zatem sygnał wyjściowy pamięci ROM jest określany na podstawie danych przechowywanych na jednym z elementów pamięci.
Chipy ROM mają (podobnie jak układy scalone RAM) wejście wyboru CS. Niektóre układy scalone ROM mają również wejście sygnału włączającego.
na wejście CEO (przy sygnale CEO = 1 wyjście jest przekazywane do stanu trzeciego,
gdy CEO = 0, o trybie pracy ROM decydują sygnały na pozostałych wejściach). Symbol obwodu ROM pokazano na ryc. 5.12b (ROM – pamięć tylko do odczytu).
Struktura elementu pamięci ROM jest znacznie prostsza niż pamięć RAM. Dlatego na tej samej powierzchni przechowywania można zbudować pamięć o większej pojemności informacyjnej. Informacje zapisane w pamięci ROM są zachowywane po wyłączeniu zasilania, co ułatwia przechowywanie standardowych programów komputerowych itp. w pamięci ROM. ROM może być używany jako uniwersalny obwód kombinacyjny. Zmienne wejściowe obwodu są dostarczane na wejścia adresowe pamięci ROM. Wartość zmiennej wyjściowej odpowiadająca każdej kombinacji wejść musi być zapisana w elemencie ROM z odpowiednim adresem. Jeśli tablica stanów zawiera m zmiennych wejściowych, wówczas pod każdy adres zapisywane jest m-bitowe słowo danych. Przemysł
63 PÓŁPRZEWODNIK
URZĄDZENIA MAGAZYNOWE
Układy scalone ROM są produkowane do użytku jako konwersja kodu, kontrolery, generatory znaków, kondycjonery sygnału itp.
Dane można zapisać w pamięci ROM podczas procesu produkcyjnego chipa. W tym przypadku, stosując specjalną metalową maskę w obwodzie napędowym, tworzy się wymaganą opcję połączenia elementów pamięci z szynami bitowymi. Takie układy pamięci nazywane są programowalną maską lub pamięcią ROM z maską.
Przykłady adresu IP:
K155PR6 i K155PR7 to konwertery BCD na binarny i binarny na BCD, zbudowane przy użyciu 256-bitowej maski ROM opartej na elementach TTL.
KR1610RE1 - maska ROM na strukturach n-MOS o pojemności 16384 bitów (2048 słów x 8 bitów). Czas wyboru - 340 ns, czas próbkowania sygnału zezwolenia na wyjście - 80 ns.
Programowalne to urządzenia trwałej pamięci, które umożliwiają zapisanie informacji po wyprodukowaniu chipa. Zasadę zapisywania danych w takiej programowalnej pamięci ROM (PROM) można wyjaśnić w następujący sposób. W stanie początkowym zworki (na przykład nichrom) są zainstalowane we wszystkich elementach napędu ROM (ryc. 5.12), co odpowiada rekordowi 1 pod wszystkimi adresami. Ustawiając adres elementu, w którym ma zostać zapisane 0, oraz przykładając w określonej kolejności zwiększone napięcia impulsowe na wyjście mocy i wyjście danych (często jest też specjalne wyjście do podawania napięcia programującego), można stopić zworkę tego elementu. Jak pokazano powyżej, brak zworki w pewnym elemencie oznacza, że zapisane jest w nim 0. Aby zapisać dane w pamięci ROM, stosuje się specjalne urządzenia zwane programatorami.
Przykłady adresu IP:
KR556RT5 to programowalna pamięć ROM oparta na elementach TTL z diodami Schottky'ego o pojemności 4096 bitów (512 słów x 8 bitów). Czas próbkowania adresu wynosi 80 ns.
EPROMy ze zworkami topliwymi, spalane przez silne impulsy prądowe, można zaprogramować tylko raz. Urządzenia umożliwiające wielokrotny zapis danych nazywane są reprogramowalną pamięcią ROM (RPM). Element pamięci ROM to tranzystor MOS z wtryskiem lawinowym z dwiema bramkami, jedną z nich
który jest podłączony do poziomej szyny adresowej, a drugi jest izolowany i pływający. Napięcie progowe tranzystora MOS w stanie początkowym jest bliskie zeru. Kiedy do bramki podłączonej do szyny adresowej zostanie przyłożony wysoki poziom, tranzystor otwiera się i na odpowiedniej szynie pionowej pojawia się sygnał odpowiadający sygnałowi zapisanemu w elemencie 1. Podczas programowania pomiędzy drenem a źródłem przykładane jest duże napięcie. Powoduje to wtrysk ładunku elektrycznego do obszaru bramki pływającej, powodując wzrost napięcia progowego tranzystora MOSFET. Kiedy podczas próbkowania elementu do bramki przez linię adresową zostanie przyłożone wysokie napięcie, tranzystor pozostaje wyłączony, a napięcie na odpowiedniej linii bitowej nie wzrasta. Oznacza to, że element zawiera „0”. Ładunek w pływającej migawce utrzymuje się bardzo długo (dziesiątki tysięcy godzin). Informacje zapisane w pamięci ROM można usunąć, jeśli kryształ dysku zostanie oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym. W takim przypadku ładunek bramki pływającej znika i we wszystkich elementach pamięci przywracana jest wartość 1. Po skasowaniu pamięć ROM można zaprogramować ponownie.
Oprócz pamięci ROM kasowalnych w promieniach ultrafioletowych istnieją elektrycznie kasowalne urządzenia pamięci tylko do odczytu. W takiej pamięci EPROM elementem pamięci jest struktura MOS z izolacją z azotku krzemu.
Przykłady adresu IP:
K573PP2 to programowalna pamięć ROM z kasowaniem elektrycznym. Pojemność informacyjna 16384 bity (2048 słów x 8 bitów). Czas próbkowania adresu wynosi 350 ns. Czas przechowywania informacji wynosi co najmniej 15 tysięcy godzin.
K573RF2 - reprogramowalna pamięć ROM z kasowaniem ultrafioletowym. Pojemność informacyjna - 16384 bity (2048 słów x 8 bitów). Czas próbkowania adresu wynosi 450 ns. Czas przechowywania informacji wynosi co najmniej 25 tysięcy godzin. Mikroukład ma specjalne okno na promieniowanie ultrafioletowe (w trybie przechowywania musi być zamknięte). Symbol RPZU pokazano na ryc. 5.13 (EPROM – kasowalna programowalna pamięć ROM), UPR – napięcie programowania. Wykresy czasowe ilustrujące pracę pamięci w trybie odczytu pokazano na rys. 5.14.
URZĄDZENIA CYFROWE I MIKROPROCESORY CZĘŚĆ 2
65 PÓŁPRZEWODNIK
URZĄDZENIA MAGAZYNOWE
Ryż. 5.13. Reprogramowalna pamięć ROM K573RF2 o pojemności 16384 bitów (2048 słów x 8 bitów)
Ryż. 5.14. Wykresy czasowe pracy K573RF2 RPOM w trybie odczytu
Pamięć jest zawsze bardzo złożoną strukturą zawierającą wiele elementów. To prawda, wewnętrzna struktura pamięci jest regularna, większość elementów jest taka sama, połączenia między elementami są stosunkowo proste, więc funkcje pełnione przez układy pamięci nie są zbyt skomplikowane.Pamięć, jak sama nazwa wskazuje, służy do zapamiętywania i przechowywania pewnych tablic informacji, czyli zbiorów, tablic, grup kodów cyfrowych. Każdy kod jest przechowywany w oddzielnym elemencie pamięci zwanym komórką pamięci. Główną funkcją każdej pamięci jest właśnie wysyłanie tych kodów na wyjścia mikroukładu na żądanie zewnętrzne. Głównym parametrem pamięci jest jej objętość, to znaczy liczba kodów, które można w niej przechowywać, oraz głębokość bitowa tych kodów.
Do określenia liczby komórek pamięci stosowane są następujące specjalne jednostki miary:
Zasada organizacja pamięci zapisuje się w następujący sposób: najpierw wpisz liczbę komórek, a następnie poprzez znak mnożenia (ukośnik) głębokość bitową kodu zapisanego w jednej komórce. Na przykład, organizacja pamięci 64Kx8 oznacza, że pamięć ma 64K (czyli 65536) komórek, a każda komórka jest ośmiobitowa. A organizacja pamięci 4M x 1 oznacza, że pamięć ma 4M (czyli 4194304) komórek, przy czym każda komórka ma tylko jeden bit. Całkowita pojemność pamięci jest mierzona w bajtach (kilobajty – KB, megabajty – MB, gigabajty – GB) lub w bitach (kilobity – Kbity, megabity – Mbity, gigabajty – Gbity).
W zależności od sposobu wprowadzania (zapisywania) informacji i sposobu ich przechowywania, układy pamięci dzielą się na następujące główne typy:
Istnieje wiele pośrednich typów pamięci, a także wiele podtypów, ale te są najważniejsze, zasadniczo różniące się od siebie. Chociaż różnica między ROM i PROM z punktu widzenia twórcy urządzenia cyfrowego z reguły nie jest tak duża. Tylko w niektórych przypadkach, na przykład podczas korzystania z tzw. pamięci flash, czyli pamięci PROM z wielokrotnym elektrycznym kasowaniem i ponownym zapisywaniem informacji, różnica ta jest naprawdę niezwykle istotna. Można uznać, że pamięć flash zajmuje pozycję pośrednią pomiędzy pamięcią RAM i ROM.
Ogólnie rzecz biorąc, każdy układ pamięci ma następujące wyjścia informacyjne (ryc. 11.1):
Ryż. 11.1.
Oczywiście w tym wykładzie nie będziemy studiować wszystkich możliwych typów układów pamięci; cała książka nie wystarczy. Ponadto informacje te znajdują się w licznych podręcznikach. Układy pamięci produkowane są przez dziesiątki firm na całym świecie, dlatego nie jest łatwo je wszystkie wymienić, nie mówiąc już o szczegółowym rozważeniu ich cech i parametrów. Przyjrzymy się tylko różnym obwodom łączenia typowych układów pamięci w celu rozwiązania najczęstszych problemów, a także metodom projektowania niektórych węzłów i urządzeń opartych na układach pamięci. To jest bezpośrednio związane z obwodami cyfrowymi. I to właśnie metody włączania mikroukładów w niewielkim stopniu zależą od charakterystycznych cech konkretnego mikroukładu konkretnej firmy.
W tej sekcji nie będziemy rozmawiać o pamięci flash, ponieważ jest to osobny duży temat. Ograniczymy się tylko do najprostszych chipów ROM i PROM, do których informacja jest wprowadzana raz na zawsze (na etapie produkcji lub przez samego użytkownika). Nie będziemy tu także rozważać cech sprzętu do programowania EPROMów (tzw. programatorów), zasad ich budowy i użytkowania – to osobny duży temat. Zakładamy, że potrzebne nam informacje można zapisać w ROM lub PROM, a kiedy, jak i w jaki sposób zostaną zapisane, nie jest dla nas zbyt ważne. Wszystkie te założenia pozwolą nam skupić się konkretnie na obwodach komponentów i urządzeń opartych na ROM i PROM (dla uproszczenia będziemy w przyszłości nazywać je po prostu ROM).
Wspomnimy tutaj jedynie, że PROM-y dzielą się na reprogramowalne i reprogramowalne
Wszystkie typy pamięci, które do tej pory rozważaliśmy, mają jedną wspólną cechę: mogą zarówno zapisywać informacje, jak i je czytać. Ten rodzaj pamięci nazywa się RAM (pamięć o dostępie swobodnym). Istnieją dwa rodzaje pamięci RAM: statyczna i dynamiczna. Statyczna pamięć RAM zaprojektowane przy użyciu klapek D. Informacje w pamięci RAM są zachowywane tak długo, jak długo jest do niej dostarczane zasilanie: sekundy, minuty, godziny I nawet dni. Statyczna pamięć RAM jest bardzo szybka. Zwykle czas dostępu wynosi kilka nanosekund. Z tego powodu statyczna pamięć RAM jest często używana jako pamięć podręczna L2.
W dynamiczna pamięć RAM, wręcz przeciwnie, wyzwalacze nie są używane. Dynamiczna pamięć RAM to układ komórek, z których każda zawiera tranzystor i mały kondensator. Kondensatory można ładować i rozładowywać, co pozwala na przechowywanie zer i jedynek. Ponieważ ładunek elektryczny ma tendencję do zanikania, każdy bit w pamięci DRAM musi aktualizacja(ładowanie) co kilka milisekund, aby zapobiec wyciekowi danych. Ponieważ aktualizacją musi zajmować się logika zewnętrzna, dynamiczna pamięć RAM wymaga bardziej złożonego interfejsu niż statyczna pamięć RAM, chociaż tę wadę rekompensuje jej większa pojemność.
Ponieważ pamięć DRAM potrzebuje tylko 1 tranzystora i 1 kondensatora na bit (statyczna pamięć RAM wymaga w najlepszym przypadku 6 tranzystorów na bit), DRAM ma bardzo dużą gęstość zapisu (wiele bitów na chip). Z tego powodu pamięć główna prawie zawsze budowana jest w oparciu o dynamiczną pamięć RAM. Jednak dynamiczne pamięci RAM są bardzo wolne (czas dostępu zajmuje dziesiątki nanosekund). Zatem połączenie pamięci podręcznej opartej na SRAM i pamięci głównej opartej na DRAM łączy w sobie zalety obu urządzeń.
Istnieje kilka typów dynamicznej pamięci RAM. Najstarszym nadal używanym typem jest FPM (tryb szybkiej strony - szybka strona
Pamięć 175
tryb)-. Ta pamięć RAM jest matrycą bitów. Sprzęt reprezentuje adres wiersza, a następnie adresy kolumn (opisaliśmy ten proces, gdy rozmawialiśmy o urządzeniu pamięci pokazanym na rysunku 3.30. 6).
FPM jest stopniowo wymieniany EDO 1 (Extended Data Output - pamięć o rozszerzonych możliwościach wyjściowych), co umożliwia dostęp do pamięci przed zakończeniem poprzedniego dostępu. Ten tryb potokowy nie przyspiesza dostępu do pamięci, ale zwiększa przepustowość, tworząc więcej słów na sekundę.
Zarówno FPM, jak i EDO są asynchroniczne. W odróżnieniu od nich tzw synchroniczna dynamiczna pamięć RAM sterowane jednym sygnałem zegarowym. Urządzenie to jest hybrydą statycznej i dynamicznej pamięci RAM. Synchroniczna dynamiczna pamięć RAM jest często używana do produkcji dużych pamięci podręcznych. Być może w przyszłości technologia ta stanie się najbardziej preferowana w produkcji pamięci głównych.
RAM nie jest jedynym typem układu pamięci. W wielu przypadkach dane muszą zostać zachowane nawet po wyłączeniu zasilania (na przykład w przypadku zabawek, różnych urządzeń i maszyn). Ponadto po instalacji nie należy zmieniać programów ani danych. Wymagania te doprowadziły do pojawienia się ROM (pamięć tylko do odczytu) urządzeń), które nie pozwalają na zmianę lub usunięcie (zamierzonych ani przypadkowych) przechowywanych na nich informacji. Dane są zapisywane w pamięci ROM podczas produkcji. W tym celu wykonuje się szablon z określonym zestawem bitów, który nakłada się na materiał światłoczuły, a następnie trawi otwarte (lub zamknięte) części powierzchni. Jedynym sposobem na zmianę programu w pamięci ROM jest zmiana całego chipa.
ROMy są dużo tańsze niż RAM, jeśli zamówisz je w dużych ilościach, aby pokryć koszt wykonania szablonu. Nie pozwalają jednak na zmiany po opuszczeniu produkcji, a pomiędzy złożeniem zamówienia na ROM a jego realizacją może upłynąć kilka tygodni. Aby ułatwić firmom opracowywanie nowych urządzeń opartych na pamięci ROM, można je programować ROM. W przeciwieństwie do konwencjonalnych pamięci ROM, można je programować w terenie, co skraca czas realizacji. Wiele programowalnych pamięci ROM zawiera szereg małych, topliwych łączy. Możliwe jest wypalenie określonej zworki, jeśli wybierzesz żądany wiersz i żądaną kolumnę, a następnie przyłożysz wysokie napięcie do określonego pinu układu.
Kolejnym rozwinięciem tej linii jest programowalny, kasowalny ROM, który można nie tylko zaprogramować w warunkach eksploatacyjnych, ale także usunąć z niego informacje. Jeśli okno kwarcowe w danej pamięci ROM zostanie wystawione na działanie silnego światła ultrafioletowego przez 15 minut, wszystkie bity zostaną ustawione na 1. Jeśli na jednym etapie projektowania trzeba wprowadzić wiele zmian, kasowalne pamięci ROM są znacznie tańsze niż zwykłe programowalne pamięci ROM, ponieważ można ich używać wielokrotnie. Pamięci EPROM są zwykle projektowane w taki sam sposób, jak statyczna pamięć RAM. Na przykład mikroukład 27C040 ma strukturę pokazaną na ryc. 3.30, A, i ta struktura jest typowa dla statycznej pamięci RAM.
W połowie lat 90. pamięć dynamiczna EDO zastąpiła konwencjonalną pamięć dynamiczną FPM. - Notatka uczyć, wyd.
Kolejnym etapem jest elektronicznie reprogramowalny ROM, z którego można wymazać informacje poprzez przyłożenie do niego impulsów, a który nie wymaga umieszczania w specjalnej komorze wystawionej na działanie promieni ultrafioletowych. Ponadto, aby przeprogramować to urządzenie, nie trzeba go wkładać do specjalnej maszyny programującej, w przeciwieństwie do kasowalnej programowalnej pamięci ROM. Z drugiej jednak strony największe pamięci EEPROM są 64 razy mniejsze niż konwencjonalne kasowalne pamięci ROM i działają z połową szybkości. Pamięci EEPROM nie mogą konkurować z DRAM i statyczną pamięcią RAM, ponieważ są 10 razy wolniejsze, mają 100 razy mniejszą pojemność i są znacznie droższe. Stosuje się je tylko w sytuacjach, gdy konieczne jest zachowanie informacji po wyłączeniu zasilania.
Bardziej nowoczesnym rodzajem programowalnej elektronicznie pamięci ROM jest pamięć flash. W przeciwieństwie do EPROM, który jest kasowany pod wpływem światła ultrafioletowego i EPROM, który jest kasowany bajt po bajcie, pamięć flash jest kasowana i zapisywana w blokach. Jak każda elektronicznie programowalna pamięć ROM, pamięć flash można wymazać bez wyjmowania jej z chipa. Wielu producentów produkuje małe płytki drukowane zawierające dziesiątki megabajtów pamięci flash. Służą do przechowywania obrazów w aparatach cyfrowych i do innych celów. Być może kiedyś pamięci flash zastąpią dyski, co byłoby ogromnym krokiem naprzód, biorąc pod uwagę czasy dostępu wynoszące 100 sekund. Głównym problemem technicznym w tej chwili jest to, że pamięć flash zużywa się po 10 000 wymazań, a dyski mogą służyć latami, niezależnie od tego, ile razy będą przepisywane. Krótki opis różnych typów pamięci podano w tabeli. 3.2.
Tabela 3.2. Charakterystyka różnych typów pamięci
| Rodzaj przechowywania | Kategoria | Kasowanie | Zmiana | Energia | Aplikacja |
| przechodzący | dokumentacja | informacja | w zależności | ||
| urządzenia | bajt bajt | most | |||
| Statyczny | Czytanie/ | Elektryczny | Tak | Tak | Pamięć podręczna |
| RAM (SRAM) | nagranie | drugi poziom | |||
| Dynamiczny | Czytanie/ | Elektryczny | Tak | Tak | Pamięć główna |
| RAM (DRAM) | nagranie | ||||
| ROM (YaOM) | Tylko | Niemożliwe | NIE | NIE | Urządzenia |
| czytanie | duży rozmiar | ||||
| Program | Tylko | Niemożliwe | NIE | NIE | Urządzenia |
| doczesny | czytanie | mały | |||
| ROM (PROM) | rozmiar | ||||
| Zmywalny | Głównie | Ultra- | NIE | NIE | Modelowanie |
| program | znacznie | fioletowy | urządzenia | ||
| doczesny | czytanie | światło | |||
| ROM(ERRYUM) | |||||
| Elektroniczny | Głównie | Elektryczny | Tak | NIE | Modelowanie |
| przeprogramować | znacznie | urządzenia | |||
| światowy ROM | czytanie | ||||
| (EEPROM) | |||||
| pamięć flash | Czytanie/ | Elektryczny | NIE | NIE | Aparaty cyfrowe |
| (Błysk) | nagranie |
Chipy procesorowe i magistrale 177
Chipy procesorowe i magistrale
Ponieważ znamy już pewne informacje na temat mikrofonów, systemów SIS i układów pamięci, możemy złożyć wszystkie komponenty i zbadać całe systemy. W tej sekcji najpierw przyjrzymy się procesorom na poziomie logiki cyfrowej, łącznie z pinoutem (czyli znaczeniem sygnałów na różnych pinach). Ponieważ procesory są ściśle powiązane z używanymi przez nie magistralami, przedstawimy również pokrótce podstawowe zasady projektowania magistrali. W kolejnych rozdziałach szczegółowo opiszemy przykłady procesorów centralnych i magistrali dla nich.
Chipy procesora
Wszystkie nowoczesne procesory mieszczą się w jednym chipie. To sprawia, że ich interakcja z resztą systemu jest dość wyraźna. Każdy chip procesora zawiera zestaw pinów, poprzez które wymieniane są informacje ze światem zewnętrznym. Niektóre piny przesyłają sygnały z procesora, inne odbierają sygnały z innych komponentów, a jeszcze inne jedno i drugie. Badając funkcje wszystkich pinów, możemy dowiedzieć się, w jaki sposób procesor współdziała z pamięcią i urządzeniami we/wy na poziomie logiki cyfrowej.
Wyjścia centralnego układu procesora można podzielić na trzy typy: adresowe, informacyjne i sterujące. Styki te są połączone z odpowiednimi pinami w układach pamięci i układach urządzeń we/wy za pomocą zestawu równoległych przewodów (zwanych magistralą). Aby wydać instrukcję, procesor najpierw wysyła adres tej instrukcji do pamięci poprzez piny adresowe. Następnie uruchamia jedną lub więcej linii kontrolnych, aby na przykład poinformować pamięć, że musi przeczytać słowo. Pamięć generuje odpowiedź, umieszczając żądane słowo na pinach informacyjnych procesora i wysyłając sygnał, że zostało to wykonane. Gdy procesor odbierze ten sygnał, akceptuje słowo i wykonuje wywołane polecenie. ▪ Polecenie może wymagać odczytania lub zapisania słów zawierających dane. W takim przypadku cały proces powtarza się dla każdego dodatkowego słowa. Poniżej przyjrzymy się szczegółowo, jak przebiega proces czytania i pisania. Ważne jest, aby zrozumieć, że jednostka centralna komunikuje się z pamięcią i urządzeniami wejścia/wyjścia, wysyłając sygnały na wyjścia i odbierając sygnały na wejściach. Nie ma innej możliwości wymiany informacji.
Liczba pinów adresowych i liczba pinów informacyjnych to dwa kluczowe parametry określające wydajność procesora. Dostęp może uzyskać mikroukład zawierający m pinów adresowych 2 t komórki pamięci. Zwykle m wynosi 16, 20, 32 lub 64. Układ zawierający n pinów danych może odczytać lub zapisać n-bitowe słowo w jednej operacji. Zwykle n wynosi 8, 16, 32, 36 lub 64. Procesor z 8 pinami danych będzie potrzebował 4 operacji, aby odczytać 32-bitowe słowo, podczas gdy procesor z 32 pinami danych może wykonać to samo zadanie w jednym
Rozdział 3. Poziom logiki cyfrowej
działanie. W rezultacie chip z 32 pinami informacyjnymi działa znacznie szybciej, ale też kosztuje znacznie więcej.
Oprócz pinów adresowych i informacyjnych każdy procesor zawiera piny sterujące. Piny sterujące regulują i synchronizują przepływ danych do i z procesora oraz wykonują różne inne funkcje. Wszystkie procesory zawierają styki zasilania (zwykle +3,3 V lub +5 V), masy i sygnału zegara (fala prostokątna). Pozostałe piny różnią się w zależności od procesora. Wyjścia sterujące można jednak podzielić na kilka głównych kategorii:
1. Zarządzanie autobusami.
2. Przerwij.
3. Arbitraż autobusowy.
4. Stan.
5. Różne.
Poniżej pokrótce opisujemy każdą z tych kategorii. Więcej szczegółów podamy, gdy przyjrzymy się chipom Pentium II, UltraSPARC II i picojava II. Schemat obwodu typowej jednostki centralnej wykorzystującej tego typu sygnały pokazano na rys. 3.31.
