Veľmi často je v rôznych aplikáciách potrebné ukladať informácie, ktoré sa počas prevádzky zariadenia nemenia. Ide o informácie, ako sú programy v mikrokontroléroch, bootloadery (BIOS) v počítačoch, tabuľky koeficientov digitálnych filtrov v signálových procesoroch a sínusové a kosínusové tabuľky v NCO a DDS. Takmer vždy sa tieto informácie nevyžadujú súčasne, takže najjednoduchšie zariadenia na ukladanie trvalých informácií (ROM) môžu byť postavené na multiplexeroch. Niekedy sa v prekladovej literatúre zariadenia na trvalé ukladanie nazývajú ROM (read only memory - read-only memory). Schéma takejto pamäte iba na čítanie (ROM) je znázornená na obrázku 1.
Obrázok 1. Obvod pamäte iba na čítanie (ROM) postavenej na multiplexeri.
V tomto obvode je zabudované pamäťové zariadenie len na čítanie s ôsmimi jednobitovými bunkami. Uloženie konkrétneho bitu do jednocifernej bunky sa vykonáva prispájkovaním vodiča k zdroju energie (zapísanie jednotky) alebo zatavením vodiča do puzdra (napísaním nuly). Na schémach zapojenia je takéto zariadenie označené tak, ako je znázornené na obrázku 2.
Obrázok 2. Označenie trvalého pamäťového zariadenia na schémach zapojenia.
Pre zvýšenie kapacity pamäťovej bunky ROM je možné tieto mikroobvody zapájať paralelne (výstupy a zaznamenané informácie prirodzene zostávajú nezávislé). Schéma paralelného pripojenia jednobitových ROM je znázornená na obrázku 3.
Obrázok 3. Schéma viacbitovej pamäte iba na čítanie (ROM).
V skutočných ROM sa informácie zaznamenávajú pomocou poslednej operácie výroby čipu - metalizácie. Metalizácia sa vykonáva pomocou masky, preto sa takéto ROM nazývajú maskovať ROM. Ďalším rozdielom medzi skutočnými mikroobvodmi a zjednodušeným modelom uvedeným vyššie je použitie, okrem multiplexora, aj . Toto riešenie umožňuje premeniť jednorozmernú pamäťovú štruktúru na dvojrozmernú a tým výrazne znížiť objem dekódovacieho obvodu potrebného na činnosť obvodu ROM. Túto situáciu ilustruje nasledujúci obrázok:
Obrázok 4. Schéma maskovanej pamäte iba na čítanie (ROM).
ROM masky sú znázornené na schémach zapojenia, ako je znázornené na obrázku 5. Adresy pamäťových buniek v tomto čipe sú privedené na kolíky A0 ... A9. Čip je vybraný CS signálom. Pomocou tohto signálu môžete zvýšiť hlasitosť ROM (príklad použitia CS signálu je uvedený v diskusii). Mikroobvod sa číta pomocou signálu RD.
Obrázok 5. Maska ROM (ROM) na schémach zapojenia.
Programovanie ROM masky sa vykonáva v továrni výrobcu, čo je veľmi nepohodlné pre malé a stredné výrobné dávky, nehovoriac o štádiu vývoja zariadenia. Prirodzene, pre veľkosériovú výrobu sú ROM masky najlacnejším typom ROM, a preto sú v súčasnosti široko používané. Pre malé a stredné výrobné série rádiových zariadení boli vyvinuté mikroobvody, ktoré je možné programovať v špeciálnych zariadeniach - programátoroch. V týchto ROM je trvalé spojenie vodičov v pamäťovej matrici nahradené tavnými článkami vyrobenými z polykryštalického kremíka. Pri výrobe ROM sa vyrábajú všetky prepojky, čo je ekvivalentné zápisu logických jednotiek do všetkých pamäťových buniek ROM. Počas procesu programovania ROM sa do napájacích kolíkov a výstupov mikroobvodu dodáva zvýšený výkon. V tomto prípade, ak je na výstup ROM privedené napájacie napätie (logická jednotka), tak cez prepojku nepotečie žiadny prúd a prepojka zostane nedotknutá. Ak je na výstup ROM (pripojenej k puzdru) privedené nízke napätie, potom cez prepojku pamäťovej matice potečie prúd, ktorý ho odparí a pri následnom načítaní informácie z tejto bunky ROM dôjde k prečíta sa logická nula.
Takéto mikroobvody sa nazývajú programovateľné ROM (PROM) alebo PROM a sú znázornené na schémach zapojenia, ako je znázornené na obrázku 6. Ako príklad PROM môžeme uviesť mikroobvody 155PE3, 556RT4, 556RT8 a iné.
Obrázok 6. Grafické označenie programovateľnej pamäte iba na čítanie (PROM) na schémach zapojenia.
Programovateľné ROM sa ukázali ako veľmi vhodné pre výrobu v malom a strednom meradle. Pri vývoji rádioelektronických zariadení je však často potrebné zmeniť program zaznamenaný v ROM. V tomto prípade nie je možné EPROM znova použiť, takže po zapísaní ROM sa v prípade chyby alebo prechodného programu musí vyhodiť, čo prirodzene zvyšuje náklady na vývoj hardvéru. Na odstránenie tohto nedostatku bol vyvinutý iný typ ROM, ktorý bolo možné vymazať a preprogramovať.
UV vymazateľná ROM je postavená na báze pamäťovej matice postavenej na pamäťových bunkách, ktorej vnútorná štruktúra je znázornená na nasledujúcom obrázku:
Obrázok 7. UV- a elektricky vymazateľná pamäťová bunka ROM.
Článok je MOS tranzistor, v ktorom je hradlo vyrobené z polykryštalického kremíka. Potom, počas výrobného procesu čipu, je táto brána oxidovaná a v dôsledku toho bude obklopená oxidom kremičitým, dielektrikom s vynikajúcimi izolačnými vlastnosťami. V opísanom článku s úplne vymazanou ROM nie je v plávajúcom hradle žiadny náboj, a preto tranzistor nevedie prúd. Pri programovaní ROM sa na druhé hradlo umiestnené nad plávajúcim hradlom privádza vysoké napätie a do plávajúceho hradla sa indukujú náboje v dôsledku tunelovacieho efektu. Po odstránení programovacieho napätia zostáva indukovaný náboj na plávajúcom hradle a teda tranzistor zostáva vodivý. Náboj na plávajúcej bráne takéhoto článku sa dá skladovať desiatky rokov.
Bloková schéma opísanej pamäte iba na čítanie sa nelíši od predtým opísanej masky ROM. Jediný rozdiel je v tom, že namiesto tavnej prepojky sa používa vyššie opísaná bunka. Tento typ pamäte ROM sa nazýva preprogramovateľná pamäť iba na čítanie (EPROM) alebo EPROM. V ROM sa predtým zaznamenané informácie vymažú pomocou ultrafialového žiarenia. Aby toto svetlo voľne prechádzalo na polovodičový kryštál, je v puzdre ROM čipu zabudované okienko z kremenného skla.
Pri ožiarení EPROM čipu sa stratia izolačné vlastnosti oxidu kremičitého, nahromadený náboj z plávajúceho hradla stečie do objemu polovodiča a tranzistor pamäťovej bunky prejde do vypnutého stavu. Doba vymazania RPOM čipu sa pohybuje od 10 do 30 minút.
Počet cyklov zápisu a vymazania čipov EPROM sa pohybuje od 10 do 100 krát, po ktorých čip EPROM zlyhá. Je to spôsobené deštruktívnym účinkom ultrafialového žiarenia na oxid kremičitý. Ako príklad mikroobvodov EPROM môžeme uviesť mikroobvody série 573 ruskej výroby a mikroobvody série 27cXXX zahraničnej výroby. RPOM najčastejšie ukladá programy BIOS univerzálnych počítačov. ROM sú znázornené v schémach zapojenia, ako je znázornené na obrázku 8.
Obrázok 8. Grafické označenie EPROM na schémach zapojenia.
Puzdrá s kremenným okienkom sú teda veľmi drahé, rovnako ako malý počet cyklov zápisu a vymazania, čo viedlo k hľadaniu spôsobov, ako elektricky vymazať informácie z ROM. Na tejto ceste sa vyskytli mnohé ťažkosti, ktoré sú teraz prakticky vyriešené. V súčasnosti sú mikroobvody s elektrickým vymazávaním informácií pomerne rozšírené. Ako pamäťová bunka používajú rovnaké bunky ako v ROM, ale sú vymazané elektrickým potenciálom, takže počet cyklov zápisu a vymazania pre tieto mikroobvody dosahuje 1 000 000 krát. Čas na vymazanie pamäťovej bunky v takýchto ROM sa skráti na 10 ms. Riadiaci obvod pre elektricky vymazateľné programovateľné ROM sa ukázal byť zložitý, takže sa objavili dva smery vývoja týchto mikroobvodov:
Elektricky vymazateľné EEPROM sú síce drahšie a objemovo menšie, no umožňujú prepísať každú pamäťovú bunku samostatne. Výsledkom je, že tieto čipy majú maximálny počet cyklov zápisu a vymazania. Oblasť použitia elektricky vymazateľnej ROM je ukladanie údajov, ktoré by sa nemali vymazávať pri vypnutí napájania. Medzi takéto mikroobvody patria domáce mikroobvody 573РР3, 558РР3 a zahraničné mikroobvody EEPROM série 28cXX. Elektricky vymazateľné ROM sú označené na schémach zapojenia, ako je znázornené na obrázku 9.
Obrázok 9. Grafické označenie elektricky vymazateľnej pamäte iba na čítanie (EEPROM) na schémach zapojenia.
V poslednej dobe existuje tendencia zmenšovať veľkosť EEPROM znížením počtu vonkajších pinov mikroobvodov. Na tento účel sa adresa a údaje prenášajú na a z čipu cez sériový port. V tomto prípade sa používajú dva typy sériových portov - port SPI a port I2C (mikroobvody série 93cXX a 24cXX). Zahraničná séria 24cXX zodpovedá domácej sérii mikroobvodov 558PPX.
FLASH ROM sa líšia od EEPROM tým, že vymazanie sa nevykonáva na každej bunke samostatne, ale na celom mikroobvode ako celku alebo bloku pamäťovej matrice tohto mikroobvodu, ako to bolo urobené v EEPROM.
Obrázok 10. Grafické označenie pamäte FLASH na schémach zapojenia.
Pri prístupe k trvalému úložnému zariadeniu musíte najskôr nastaviť adresu pamäťovej bunky na adresovej zbernici a potom vykonať operáciu čítania z čipu. Tento časový diagram je znázornený na obrázku 11.
Obrázok 11. Časové diagramy signálov na čítanie informácií z ROM.
Na obrázku 11 šípky znázorňujú poradie, v ktorom by sa mali generovať riadiace signály. Na tomto obrázku je RD čítaný signál, A je signál výberu adresy bunky (keďže jednotlivé bity v adresovej zbernici môžu nadobúdať rôzne hodnoty, sú zobrazené prechodové cesty do stavu jedna aj nula), D je načítaná výstupná informácia. z vybranej bunky ROM.
Literatúra:
Spolu s článkom „Pamäťové zariadenia iba na čítanie (ROM)“ si prečítajte:
http://site/digital/SintSxem.php
Ak existujú procesory RISC, sú blízko k vykonaniu jednej inštrukcie každý cyklus hodín.
So zjednodušením CPU sa tiež znižuje počet tranzistorov potrebných na jeho implementáciu, a preto sa plocha čipu zmenšuje. A to je spojené so znížením nákladov a spotreby energie.
Tiež by ste mali mať na pamäti, že kvôli ich jednoduchosti nie sú RISC procesory patentovateľné. To tiež uľahčuje ich rýchly vývoj a rozšírenú výrobu. Medzitým redukovaná sada RISC obsahuje iba najbežnejšie používané príkazy. Množstvo vzácnych inštrukcií procesora CISC je vykonávaných sekvenciami inštrukcií procesora RISC.
Neskôr sa objavil koncept MISC procesorov, využívajúcich minimálnu sadu dlhých inštrukcií. Po nich sa objavili procesory VLIW, pracujúce s ultra dlhými inštrukciami. Rýchlosť procesora sa meria v miliónoch operácií za sekundu MIPS.
IN V mikroprocesorových zariadeniach sa pamäť používa na ukladanie počiatočných údajov programov na spracovanie informácií pre priebežné a konečné výsledky výpočtov.
Existujú dva hlavné typy pamäte:
∙RAM je pamäťové zariadenie s náhodným prístupom používané na ukladanie dát, preto sa táto pamäť nazýva aj dátová pamäť. Počet cyklov čítania a zápisu v RAM nie je obmedzený, ale pri vypnutí napájacieho napätia sa všetky informácie stratia;
IN V moderných mikroprocesoroch je pamäť RAM viacúrovňový systém, v ktorom sa rozlišujú úrovne extra pamäte s náhodným prístupom (SRAM), RAM, vyrovnávacej pamäte (BZU) a externej pamäte (VRAM).
Každá ďalšia úroveň sa od predchádzajúcej líši kapacitou a výkonom.
Kapacita je maximálne množstvo informácií, ktoré je možné uložiť do pamäte.
Výkon je charakterizovaný trvaním operácií čítania a zápisu - dvoch hlavných operácií vykonávaných pamäťou.
Pre uvedené úrovne pamäte sa kapacita zvyšuje v smere od SRAM k VRAM a výkon v opačnom smere.
∙ROM je pamäťové zariadenie určené len na čítanie určené na ukladanie programov, preto sa táto pamäť často nazýva kódová alebo programová pamäť. Čipy ROM sú schopné uchovávať informácie, keď je napájanie vypnuté, ale možno ich naprogramovať iba raz alebo veľmi obmedzený počet krát.
Hlavné charakteristiky pamäte, ktoré je potrebné vziať do úvahy pri navrhovaní systémov:
∙ Kapacita pamäte je určená počtom bitov uložených informácií. Kapacita kryštálu sa tiež zvyčajne vyjadruje v bitoch. Dôležitou charakteristikou kryštálu je informačná organizácia pamäťového kryštálu MxN, kde M je počet slov, N je kapacita slov. Pamäť s väčšou šírkou vzorkovania má zároveň väčšiu informačnú kapacitu.
∙Dočasné charakteristiky pamäte.
1.1 Čas prístupu je časový interval určený od okamihu, keď centrálny procesor vložil adresu požadovanej pamäťovej bunky na adresovú zbernicu a odoslal príkaz na čítanie alebo zápis dát cez riadiacu zbernicu, až do okamihu, keď adresovateľná bunka komunikuje s dátami. autobus.
o Čas obnovy je čas potrebný na uvedenie pamäte do pôvodného stavu po tom, ako CPU odstráni adresu z SH, signál „čítanie“ alebo „zápis“ z SH a dáta z SD.
∙Konkrétna cena pamäťového zariadenia je určená pomerom jeho nákladov k informačnej kapacite, t.j. určuje cena troch uložených informácií.
∙Spotreba energie (alebo strata energie) sa udáva pre dva režimy činnosti kryštálu: režim pasívneho ukladania informácií a aktívny režim, keď sa operácie zápisu a čítania vykonávajú nominálnou rýchlosťou.
∙Hustota balenia je určená plochou pamäťového prvku a závisí od počtu tranzistorov v obvode prvku a použitej technológie. Najvyššia hustota balenia bola dosiahnutá v kryštáloch dynamickej pamäte.
∙Prípustná teplota okolia je zvyčajne špecifikovaná samostatne pre aktívnu prevádzku, pasívne skladovanie a mimo prevádzky. Typ krytu je uvedený, ak je štandardný, alebo výkres krytu s uvedením všetkých rozmerov, označenia a číslovania kontaktov, ak je kryt nový. Ďalej sú uvedené prevádzkové podmienky: pracovná poloha, mechanické namáhanie, prípustná vlhkosť a iné.
Existujú nasledujúce hlavné typy ROM:
∙mask ROM - sú naprogramované počas ich výrobného procesu aplikáciou masky uzavretých (vysoká úroveň) a otvorených prepojok (nízka úroveň), tento typ ROM je najlacnejší, ale musí sa vyrábať vo veľkých množstvách;
∙ ROM s tavnými prepojkami alebo elektricky programovateľné (EPROM) - tieto mikroobvody sú naprogramované spotrebiteľom prechodom prúdových impulzov až do zničenia prepojok zodpovedajúcich bitom, ktoré by sa mali stať nulou;
∙preprogramovateľná ROM s elektrickým záznamom informácií a vymazaním ultrafialovým žiarením (UFPZU) - základom pamäťovej bunky mikroobvodu tohto typu je tranzistor MOS s plne izolovanou „plávajúcou“ bránou počas programovania, oxid prerazí a na bráne sa hromadí náboj, ktorý tam zostáva, kým mikroobvod nie je vystavený UV žiareniu, pod jeho vplyvom sa oxid stáva vodivým; odpor kanála tranzistora závisí od náboja na hradle a určuje bit zapísaný do bunky;
∙Elektricky vymazateľné ROM (EEPROM) sú navrhnuté podobne ako UFPROM, ale vymazanie nastáva, ako je zápis, keď sú aplikované napäťové impulzy; Ide o najdrahší, ale aj najpohodlnejší typ ROM.
∙FLASH pamäť je momentálne najpopulárnejšia. Jeho hlavnou výhodou je, že je postavený na princípe elektrickej preprogramovateľnosti, to znamená, že umožňuje opakované vymazávanie a zaznamenávanie informácií pomocou programátorov. Minimálny garantovaný počet cyklov zápisu/vymazania zvyčajne presahuje niekoľko tisíc. To výrazne zvyšuje životný cyklus a zvyšuje flexibilitu mikroprocesorových systémov, pretože umožňuje vykonávať zmeny v programe mikroprocesora, a to ako vo fáze vývoja systému, tak aj počas jeho prevádzky v reálnom zariadení.
Existujú dva typy čipov RAM:
∙statická RAM, v ktorej je základom pamäťovej bunky spúšťač;
61 POLOVODIČ
SKLADOVACIE ZARIADENIA
Úložné zariadenia len na čítanie sú pamäte s náhodným prístupom, ktoré dokážu iba čítať údaje. Typická štruktúra ROM je znázornená na obr. 5.12a. Obvod ROM má veľa spoločného s obvodom RAM (obr. 5.5).
Ryža. 5.12. ROM s organizáciou 16 slov x 1 číslica:
a – diagram, b – UGO
IN Medzi uzly matice tvorenej sústavou horizontálnych a vertikálnych zberníc patria pamäťové prvky – tranzistory. Ako bipolárne, tak aj MOSFETy. Bázy (brány) tranzistorov sú pripojené na horizontálne (adresové) zbernice, žiariče (zdroje) sú pripojené cez prepojku na vertikálne (bitové) zbernice.
Prítomnosť prepojky znamená, že v pamäťovom prvku je uložená 1. Ak prepojka (alebo tranzistor) chýba, znamená to, že v pamäťovom prvku je uložená 0.
Výstupy dekodéra sú pripojené na adresové zbernice, ktorých vstupy prijímajú časť bitov kódu adresy. Bitové linky sú pripojené na vstupy multiplexora, ktorého adresové vstupy prijímajú druhú časť kódu adresy ROM. Multiplexer má výstup z
tri stavy (ak G 1 = G 2 = 0, potom jeden z informačných signálov prechádza na výstup Q, ak sa jeden zo signálov nerovná 0, potom je výstup Q v treťom stave).
Keď kód adresy príde na jednu z adresových zberníc Y i
zriadi sa vysokonapäťová úroveň, otvoria sa tranzistory - prvky pohonu jednej linky. Tranzistory prenášajú vysokú úroveň cez prepojky do zodpovedajúcich bitových liniek. Ak na križovatke niektorých vertikálnych autobusov s vybranou linkou nie sú žiadne prepojky, potom tieto autobusy zostanú nízke. Signály z bitových vedení sa privádzajú na vstupy multiplexora, ktorý prenáša jeden zo signálov na výstup Q. Ktorá z bitových liniek je pripojená k výstupu, závisí od časti kódu adresy ROM dodávanej na adresové vstupy multiplexora. Výstupný signál ROM je teda určený údajmi uloženými na jednom z pamäťových prvkov.
Čipy ROM majú (podobne ako integrované obvody RAM) vstup CS select. Niektoré integrované obvody ROM majú tiež vstup aktivačného signálu.
na vstup CEO (so signálom CEO = 1 sa výstup prenesie do tretieho stavu,
keď CEO = 0, prevádzkový režim ROM je určený signálmi na ostatných vstupoch). Symbol pre obvod ROM je znázornený na obr. 5.12b (ROM - pamäť iba na čítanie).
Štruktúra pamäťového prvku ROM je oveľa jednoduchšia ako RAM. Na rovnakej úložnej ploche je teda možné postaviť pamäť s väčšou informačnou kapacitou. Informácie zaznamenané v pamäti ROM sa zachovajú aj po vypnutí napájania, čo uľahčuje ukladanie štandardných počítačových programov atď. ROM možno použiť ako univerzálny kombinačný obvod. Vstupné premenné obvodu sa privádzajú na adresové vstupy ROM. Hodnota výstupnej premennej zodpovedajúcej každej kombinácii vstupov musí byť zapísaná v prvku ROM s príslušnou adresou. Ak tabuľka stavov obsahuje m vstupných premenných, potom sa do každej adresy zapíše m-bitové dátové slovo. priemysel
63 POLOVODIČ
SKLADOVACIE ZARIADENIA
ROM IC sa vyrábajú na použitie ako konverzia kódu, ovládače, generátory znakov, kondicionéry signálu atď.
Dáta môžu byť zapisované do ROM počas výrobného procesu čipu. V tomto prípade sa pomocou špeciálnej kovovej masky v obvode pohonu vytvorí požadovaná možnosť pripojenia pamäťových prvkov s bitovými zbernicami. Takéto pamäťové čipy sa nazývajú maskovo programovateľné alebo maskovacia ROM.
Príklady IP:
K155PR6 a K155PR7 sú prevodníky BCD na binárne a binárne na BCD, postavené pomocou 256-bitovej masky ROM založenej na prvkoch TTL.
KR1610RE1 - maskovacia ROM na n-MOS štruktúrach s kapacitou 16384 bitov (2048 slov x 8 bitov). Čas výberu - 340 ns, čas vzorkovania signálu aktivácie výstupu - 80 ns.
Programovateľné sú trvalé pamäťové zariadenia, ktoré umožňujú zaznamenávať informácie po vyrobení čipu. Princíp zápisu dát do takejto programovateľnej ROM (PROM) možno vysvetliť nasledovne. V počiatočnom stave sú vo všetkých prvkoch jednotky ROM (obr. 5.12) nainštalované prepojky (napríklad nichrom), čo zodpovedá záznamu 1 na všetkých adresách. Nastavením adresy prvku, do ktorého musí byť zapísaná 0, a aplikáciou zvýšených impulzných napätí v určitom poradí na výstupný a dátový výstup (často existuje aj špeciálny výstup na napájanie programovacieho napätia), môžete roztaviť prepojku tento prvok. Ako je uvedené vyššie, absencia prepojky v určitom prvku znamená, že je v ňom zapísaná 0 Na zápis údajov do ROM sa používajú špeciálne zariadenia nazývané programátory.
Príklady IP:
KR556RT5 je programovateľná ROM založená na TTL prvkoch so Schottkyho diódami s kapacitou 4096 bitov (512 slov x 8 bitov). Čas vzorkovania adresy je 80 ns.
EPROM s tavnými prepojkami, vypálenými silnými prúdovými impulzmi, je možné naprogramovať iba raz. Zariadenia, ktoré umožňujú viacnásobný zápis údajov, sa nazývajú preprogramovateľná ROM (RPM). Pamäťovým prvkom ROM je lavínový vstrekovací MOS tranzistor s dvoma bránami, jednou z nich
ktorá je pripojená k horizontálnej adresovej zbernici a druhá je izolovaná a plávajúca. Prahové napätie MOS tranzistora v počiatočnom stave je blízke nule. Keď je na bránu pripojenú k adresovej zbernici privedená vysoká úroveň, tranzistor sa otvorí a na zodpovedajúcej vertikálnej zbernici sa objaví signál zodpovedajúci signálu zaznamenanému v prvku 1. Pri programovaní sa medzi kolektor a zdroj privedie veľké napätie. To spôsobí vstreknutie elektrického náboja do oblasti plávajúcej brány, čo spôsobí zvýšenie prahového napätia MOSFET. Keď sa pri vzorkovaní prvku privedie na bránu cez adresné vedenie vysoká úroveň napätia, tranzistor zostane vypnutý a napätie na príslušnom bitovom vedení sa nezvýši. To znamená, že prvok obsahuje "0". Náboj v plávajúcej uzávierke sa udrží veľmi dlho (desiatky tisíc hodín). Informácie zaznamenané v pamäti ROM je možné vymazať, ak je kryštál jednotky osvetlený ultrafialovým žiarením. V tomto prípade zmizne náboj plávajúcej brány a obnoví sa 1 vo všetkých pamäťových prvkoch Po vymazaní je možné ROM znova naprogramovať.
Okrem ultrafialovým žiarením vymazateľných ROM existujú elektricky vymazateľné pamäťové zariadenia len na čítanie. V takejto EPROM je pamäťovým prvkom štruktúra MOS s izoláciou z nitridu kremíka.
Príklady IP:
K573PP2 je preprogramovateľná ROM s elektrickým vymazávaním. Informačná kapacita 16384 bitov (2048 slov x 8 bitov). Čas vzorkovania adresy je 350 ns. Doba uchovávania informácií je najmenej 15 tisíc hodín.
K573RF2 - preprogramovateľná ROM s ultrafialovým vymazávaním. Informačná kapacita - 16384 bitov (2048 slov x 8 bitov). Čas vzorkovania adresy je 450 ns. Doba uchovávania informácií je najmenej 25 tisíc hodín. Mikroobvod má špeciálne okno na ultrafialové ožarovanie (v režime skladovania musí byť zatvorené). Symbol pre RPZU je znázornený na obr. 5.13 (EPROM – Erasable Programmable ROM), UPR – programovacie napätie. Časové diagramy znázorňujúce činnosť pamäte v režime čítania sú znázornené na obr. 5.14.
DIGITÁLNE ZARIADENIA A MIKROPROCESORY ČASŤ 2
65 POLOVODIČ
SKLADOVACIE ZARIADENIA
Ryža. 5.13. Preprogramovateľná ROM K573RF2 s kapacitou 16384 bitov (2048 slov x 8 bitov)
Ryža. 5.14. Časové diagramy operácie RPOM K573RF2 v režime čítania
Pamäť je vždy veľmi zložitá štruktúra, ktorá zahŕňa mnoho prvkov. Je pravda, že vnútorná štruktúra pamäte je pravidelná, väčšina prvkov je rovnaká, spojenia medzi prvkami sú pomerne jednoduché, takže funkcie vykonávané pamäťovými čipmi nie sú príliš zložité.Pamäť, ako už jej názov napovedá, je určená na zapamätanie a uchovanie niektorých polí informácií, inými slovami množín, tabuliek, skupín digitálnych kódov. Každý kód je uložený v samostatnom pamäťovom prvku nazývanom pamäťová bunka. Hlavnou funkciou akejkoľvek pamäte je práve vydať tieto kódy na výstupy mikroobvodu na externú požiadavku. A hlavným parametrom pamäte je jej objem, teda počet kódov, ktoré je možné do nej uložiť, a bitová hĺbka týchto kódov.
Nasledujúce špeciálne jednotky merania sa používajú na označenie počtu pamäťových buniek:
Princíp organizácia pamäte sa zapisuje nasledovne: najprv zapíšte počet buniek a potom cez znak násobenia (šikmý krížik) bitovú hĺbku kódu uloženého v jednej bunke. napr. organizácia pamäte 64Kx8 znamená, že pamäť má 64K (to znamená 65536) buniek a každá bunka je osembitová. A organizácia pamäte 4M x 1 znamená, že pamäť má 4M (t.j. 4194304) buniek, pričom každá bunka má iba jeden bit. Celková kapacita pamäte sa meria v bajtoch (kilobajty - KB, megabajty - MB, gigabajty - GB) alebo v bitoch (kilobity - Kbity, megabity - Mbity, gigabity - Gbity).
V závislosti od spôsobu zadávania (záznamu) informácií a spôsobu ich ukladania sa pamäťové čipy delia na tieto hlavné typy:
Existuje mnoho medzitypov pamäte, ako aj mnoho podtypov, ale tieto sú najdôležitejšie, zásadne sa navzájom líšia. Aj keď rozdiel medzi ROM a PROM z pohľadu vývojára digitálnych zariadení nie je spravidla taký veľký. Len v určitých prípadoch, napríklad pri použití takzvanej flash pamäte, čo je PROM s opakovaným elektrickým vymazávaním a prepisovaním informácií, je tento rozdiel naozaj mimoriadne dôležitý. Flash pamäť možno považovať za medzipolohu medzi RAM a ROM.
Vo všeobecnosti má každý pamäťový čip nasledujúce výstupy informácií (obr. 11.1):
Ryža. 11.1.
V tejto prednáške samozrejme nebudeme študovať všetky možné typy pamäťových čipov, na to nám nebude stačiť celá kniha. Okrem toho sú tieto informácie obsiahnuté v mnohých referenčných knihách. Pamäťové čipy vyrábajú desiatky spoločností po celom svete, takže nie je jednoduché ich všetky ani vymenovať, nehovoriac o ich vlastnostiach a parametroch. Pozrieme sa len na rôzne obvody na pripojenie typických pamäťových čipov na riešenie najbežnejších problémov, ako aj na metódy navrhovania niektorých uzlov a zariadení založených na pamäťových čipoch. To je to, čo priamo súvisí s digitálnymi obvodmi. A sú to práve spôsoby zapínania mikroobvodov, ktoré málo závisia od charakteristických vlastností konkrétneho mikroobvodu od konkrétnej spoločnosti.
V tejto časti nebudeme hovoriť o flash pamäti, pretože toto je samostatná veľká téma. Obmedzíme sa iba na najjednoduchšie čipy ROM a PROM, do ktorých sa informácie zadávajú raz a navždy (vo fáze výroby alebo samotným používateľom). Nebudeme tu tiež brať do úvahy vlastnosti zariadení na programovanie EPROM (tzv. programátorov), princípy ich konštrukcie a použitia - to je samostatná veľká téma. Budeme predpokladať, že informácie, ktoré potrebujeme, môžu byť zaznamenané v ROM alebo PROM a kedy, ako a akým spôsobom budú zaznamenané, nie je pre nás príliš dôležité. Všetky tieto predpoklady nám umožnia zamerať sa konkrétne na obvody súčiastok a zariadení na báze ROM a PROM (pre jednoduchosť ich budeme v budúcnosti nazývať jednoducho ROM).
Tu len spomeňme, že PROM sa delia na preprogramovateľné alebo preprogramovateľné
Všetky typy pamätí, o ktorých sme doteraz uvažovali, majú jednu spoločnú vlastnosť: dokážu informácie zapisovať aj čítať. Tento druh pamäte sa nazýva RAM (Random Access Memory). Existujú dva typy pamäte RAM: statická a dynamická. Statická RAM navrhnuté pomocou D žabiek. Informácie v pamäti RAM sa uchovávajú dovtedy, kým je do nej dodávané napájanie: sekundy, minúty, hodiny A párne dni. Statická RAM je veľmi rýchla. Typický čas prístupu je niekoľko nanosekúnd. Z tohto dôvodu sa statická RAM často používa ako vyrovnávacia pamäť L2.
IN dynamická RAM, naopak, spúšťače sa nepoužívajú. Dynamická RAM je pole buniek, z ktorých každá obsahuje tranzistor a malý kondenzátor. Kondenzátory je možné nabíjať a vybíjať, čo im umožňuje ukladať nuly a jednotky. Pretože elektrický náboj má tendenciu miznúť, každý bit v DRAM musí aktualizovať(nabíjajte) každých pár milisekúnd, aby ste zabránili úniku dát. Keďže sa o aktualizáciu musí starať externá logika, dynamická RAM vyžaduje zložitejšie rozhranie ako statická RAM, aj keď túto nevýhodu kompenzuje jej väčšia kapacita.
Keďže DRAM potrebuje iba 1 tranzistor a 1 kondenzátor na bit (statická RAM vyžaduje prinajlepšom 6 tranzistorov na bit), DRAM má veľmi vysokú hustotu zápisu (veľa bitov na čip). Z tohto dôvodu je hlavná pamäť takmer vždy postavená na báze dynamickej RAM. Dynamické RAM sú však veľmi pomalé (čas prístupu trvá desiatky nanosekúnd). Kombinácia vyrovnávacej pamäte založenej na SRAM a hlavnej pamäte založenej na DRAM teda spája výhody oboch zariadení.
Existuje niekoľko typov dynamickej pamäte RAM. Dodnes sa používa najstarší typ FPM (Fast Page Mode – rýchla stránka
Pamäť 175
režim)-. Táto RAM je matica bitov. Hardvér predstavuje adresu riadka a potom adresy stĺpca (tento proces sme opísali, keď sme hovorili o pamäťovom zariadení znázornenom na obrázku 3.30. 6).
FPM sa postupne nahrádza EDO 1 (Extended Data Output – pamäť s rozšírenými možnosťami výstupu),čo vám umožní prístup k pamäti pred dokončením predchádzajúceho prístupu. Tento zreťazený režim nezrýchľuje prístup k pamäti, ale zvyšuje priepustnosť a produkuje viac slov za sekundu.
FPM aj EDO sú asynchrónne. Na rozdiel od nich tzv synchrónna dynamická RAM riadené jedným hodinovým signálom. Toto zariadenie je hybridom statickej a dynamickej pamäte RAM. Synchrónna dynamická RAM sa často používa pri výrobe veľkej vyrovnávacej pamäte. Možno sa táto technológia stane v budúcnosti najviac preferovanou pri výrobe hlavnej pamäte.
RAM nie je jediným typom pamäťového čipu. V mnohých prípadoch sa údaje musia uchovávať aj po vypnutí napájania (napríklad pri hračkách, rôznych zariadeniach a strojoch). Navyše po inštalácii by sa nemali meniť ani programy, ani údaje. Tieto požiadavky viedli k vzniku ROM (pamäť len na čítanie) zariadenia), ktoré neumožňujú zmenu alebo vymazanie informácií v nich uložených (ani úmyselne, ani náhodne). Dáta sa zapisujú do ROM počas výroby. Na tento účel sa vytvorí šablóna so špecifickou sadou bitov, ktorá sa aplikuje na fotocitlivý materiál a potom sa vyleptajú otvorené (alebo uzavreté) časti povrchu. Jediný spôsob, ako zmeniť program v ROM, je zmeniť celý čip.
ROM sú oveľa lacnejšie ako RAM, ak si ich objednáte vo veľkých množstvách, aby ste pokryli náklady na výrobu šablóny. Po opustení výroby však zmeny neumožňujú a medzi odoslaním objednávky na ROM a jej dokončením môže uplynúť niekoľko týždňov. Aby spoločnostiam uľahčili vývoj nových zariadení na báze ROM, programovateľné ROM. Na rozdiel od bežných ROM sa dajú naprogramovať priamo v teréne, čím sa skráti čas potrebný na realizáciu. Mnoho programovateľných ROM obsahuje rad malých taviteľných prepojení. Ak vyberiete požadovaný riadok a požadovaný stĺpec, a potom použijete vysoké napätie na konkrétny kolík čipu, je možné vypáliť konkrétny prepojok.
Ďalším vývojom tohto radu je vymazateľný programovateľný ROM, ktorý možno v prevádzkových podmienkach nielen naprogramovať, ale možno z neho aj vymazať informácie. Ak je kremenné okno v danej ROM vystavené silnému ultrafialovému svetlu na 15 minút, všetky bity sa nastavia na 1. Ak je potrebné vykonať veľa zmien počas jedného konštrukčného kroku, vymazateľné ROM sú oveľa efektívnejšie ako bežné programovateľné ROM, pretože môžu byť použité znova a znova. EPROM sú zvyčajne navrhnuté rovnakým spôsobom ako statická RAM. Napríklad mikroobvod 27C040 má štruktúru, ktorá je znázornená na obr. 3,30, A, a táto štruktúra je typická pre statickú RAM.
Dynamická pamäť EDO nahradila konvenčnú dynamickú pamäť FPM v polovici 90. rokov. - Poznámka učiť, vyd.
Ďalším stupňom je elektronicky preprogramovateľná pamäť ROM, z ktorej je možné vymazať informácie privedením impulzov na ňu a ktorú nie je potrebné umiestniť do špeciálnej komory, aby bola vystavená ultrafialovým lúčom. Navyše na preprogramovanie tohto zariadenia nie je potrebné ho vkladať do špeciálneho programovacieho stroja, na rozdiel od vymazateľnej programovateľnej ROM. Ale na druhej strane, najväčšie EEPROM sú 64-krát menšie ako bežné vymazateľné ROM a fungujú polovičnou rýchlosťou. EEPROM nemôžu konkurovať DRAM a statickej RAM, pretože sú 10-krát pomalšie, majú 100-krát menšiu kapacitu a sú oveľa drahšie. Používajú sa iba v situáciách, keď je potrebné zachovať informácie pri vypnutí napájania.
Modernejším typom elektronicky programovateľných ROM je flash pamäť. Na rozdiel od EPROM, ktorá sa vymazáva vystavením ultrafialovému svetlu, a EPROM, ktorá sa vymazáva bajt po byte, sa flash pamäť vymazáva a zapisuje v blokoch. Ako každú elektronicky programovateľnú ROM, aj flash pamäť je možné vymazať bez jej odstránenia z čipu. Mnoho výrobcov vyrába malé obvodové dosky obsahujúce desiatky megabajtov flash pamäte. Používajú sa na ukladanie obrázkov v digitálnych fotoaparátoch a na iné účely. Možno raz flash pamäť nahradí disky, čo by bol obrovský krok vpred vzhľadom na prístupové časy 100 sekúnd. Hlavným technickým problémom v súčasnosti je, že pamäť flash sa opotrebuje po 10 000 vymazaniach a disky môžu vydržať roky bez ohľadu na to, koľkokrát sú prepísané. Stručný popis rôznych typov pamäte je uvedený v tabuľke. 3.2.
Tabuľka 3.2. Charakteristika rôznych typov pamäte
| Typ úložiska | Kategória | Vymazanie | Zmeniť | Energia | Aplikácia |
| absolvovanie | záznamy | informácie | v závislosti | ||
| zariadení | byte byte | most | |||
| Statické | Čítanie/ | Elektrické | áno | áno | Vyrovnávacia pamäť |
| RAM (SRAM) | záznam | druhá úroveň | |||
| Dynamický | Čítanie/ | Elektrické | áno | áno | Hlavná pamäť |
| RAM (DRAM) | záznam | ||||
| ROM (YaOM) | Iba | nemožné | Nie | Nie | Zariadenia |
| čítanie | veľká veľkosť | ||||
| Program | Iba | nemožné | Nie | Nie | Zariadenia |
| svetské | čítanie | malý | |||
| ROM (PROM) | veľkosť | ||||
| Umývateľný | Predovšetkým | ultra- | Nie | Nie | Modelovanie |
| program | výrazne | fialová | zariadení | ||
| svetské | čítanie | svetlo | |||
| ROM (ERRYUM) | |||||
| Elektronické | Predovšetkým | Elektrické | áno | Nie | Modelovanie |
| preprogramovať | výrazne | zariadení | |||
| svetoznáma ROM | čítanie | ||||
| (EEPROM) | |||||
| flash pamäť | Čítanie/ | Elektrické | Nie | Nie | Digitálne fotoaparáty |
| (blesk) | záznam |
Procesorové čipy a zbernice 177
Procesorové čipy a zbernice
Keďže už vieme nejaké informácie o MIC, SIS a pamäťových čipoch, môžeme dať všetky komponenty dokopy a študovať celé systémy. V tejto časti sa najprv pozrieme na procesory na úrovni digitálnej logiky vrátane pinoutu (to znamená význam signálov na rôznych kolíkoch). Keďže CPU sú úzko späté so zbernicami, ktoré používajú, stručne načrtneme aj základné princípy návrhu zbernice. V nasledujúcich častiach podrobne popíšeme príklady centrálnych procesorov a zberníc pre ne.
Procesorové čipy
Všetky moderné procesory sa zmestia na jeden čip. Vďaka tomu je ich interakcia so zvyškom systému celkom jasná. Každý procesorový čip obsahuje súpravu pinov, prostredníctvom ktorých sa vymieňajú informácie s vonkajším svetom. Niektoré piny prenášajú signály z CPU, iné prijímajú signály z iných komponentov a iné robia oboje. Preskúmaním funkcií všetkých pinov sa môžeme naučiť, ako procesor interaguje s pamäťou a I/O zariadeniami na úrovni digitálnej logiky.
Výstupy čipu centrálneho procesora možno rozdeliť do troch typov: adresové, informačné a riadiace. Tieto kolíky sú pripojené k zodpovedajúcim kolíkom na pamäťových čipoch a čipoch vstupno-výstupných zariadení prostredníctvom sady paralelných vodičov (nazývaných zbernica). Aby CPU vydal inštrukciu, najprv odošle adresu tejto inštrukcie do pamäte cez adresové kolíky. Potom spustí jeden alebo viac riadiacich riadkov, aby povedal pamäti, že potrebuje napríklad prečítať slovo. Pamäť vytvorí odpoveď umiestnením požadovaného slova na informačné piny procesora a odoslaním signálu, že je hotovo. Keď CPU prijme tento signál, prijme slovo a vykoná volaný príkaz. ■ Príkaz môže vyžadovať čítanie alebo zápis slov obsahujúcich dáta. V tomto prípade sa celý proces opakuje pre každé ďalšie slovo. Nižšie sa podrobne pozrieme na to, ako prebieha proces čítania a zápisu. Je dôležité pochopiť, že centrálna procesorová jednotka komunikuje s pamäťou a vstupnými/výstupnými zariadeniami posielaním signálov na výstupy a prijímaním signálov na vstupy. Iný spôsob výmeny informácií neexistuje.
Počet adresných pinov a počet informačných pinov sú dva kľúčové parametre, ktoré určujú výkon procesora. Mikroobvod obsahujúci m adresných kolíkov má prístup 2 t pamäťové bunky. Typicky m je 16, 20, 32 alebo 64. Čip obsahujúci n dátových kolíkov môže čítať alebo zapisovať n-bitové slovo v jednej operácii. Typicky n je 8, 16, 32, 36 alebo 64. CPU s 8 dátovými kolíkmi bude potrebovať 4 operácie na prečítanie 32-bitového slova, zatiaľ čo procesor s 32 dátovými kolíkmi môže vykonať rovnakú prácu v jednom
Kapitola 3. Úroveň digitálnej logiky
prevádzka. V dôsledku toho čip s 32 informačnými kolíkmi funguje oveľa rýchlejšie, ale tiež stojí oveľa viac.
Okrem adresných a informačných pinov obsahuje každý procesor ovládacie piny. Ovládacie kolíky regulujú a synchronizujú tok dát do a z procesora a vykonávajú rôzne ďalšie funkcie. Všetky procesory obsahujú kolíky pre napájanie (zvyčajne +3,3 V alebo +5 V), uzemnenie a hodinový signál (štvorcová vlna). Zostávajúce kolíky sa líšia v závislosti od procesora. Riadiace výstupy však možno rozdeliť do niekoľkých hlavných kategórií:
1. Vedenie autobusov.
2. Prerušiť.
3. Autobusová arbitráž.
4. Podmienka.
5. Rôzne.
Nižšie stručne popíšeme každú z týchto kategórií. Viac podrobností poskytneme, keď sa pozrieme na čipy Pentium II, UltraSPARC II a picojava II. Schéma zapojenia typickej centrálnej procesorovej jednotky, ktorá používa tieto typy signálov, je znázornená na obr. 3.31.
