Mycket ofta, i olika applikationer, är det nödvändigt att lagra information som inte ändras under driften av enheten. Det här är information som program i mikrokontroller, boot loaders (BIOS) i datorer, tabeller över digitala filterkoefficienter i signalprocessorer och sinus- och cosinustabeller i NCO och DDS. Nästan alltid krävs inte denna information samtidigt, så de enklaste enheterna för att lagra permanent information (ROM) kan byggas på multiplexorer. Ibland i översatt litteratur kallas permanenta lagringsenheter ROM (read only memory - read-only memory). Diagrammet för ett sådant läsminne (ROM) visas i figur 1.
Figur 1. Krets för ett läsminne (ROM) byggt på en multiplexer.
I denna krets byggs en skrivskyddad minnesenhet med åtta enbitsceller. Att lagra en specifik bit i en ensiffrig cell görs genom att löda tråden till strömkällan (skriva en) eller täta tråden till höljet (skriva noll). På kretsscheman är en sådan anordning betecknad som visas i figur 2.
Figur 2. Beteckning på en permanent lagringsenhet på kretsscheman.
För att öka kapaciteten hos ROM-minnescellen kan dessa mikrokretsar kopplas parallellt (utgångarna och inspelad information förblir naturligtvis oberoende). Det parallella anslutningsschemat för enbitars ROM visas i figur 3.
Figur 3. Schematisk beskrivning av ett läsminne med flera bitar (ROM).
I riktiga ROM-skivor registreras information med den senaste operationen av chipproduktion - metallisering. Metallisering utförs med hjälp av en mask, varför sådana ROM kallas mask ROM. En annan skillnad mellan riktiga mikrokretsar och den förenklade modellen ovan är användningen av, förutom en multiplexor, en . Denna lösning gör det möjligt att omvandla en endimensionell lagringsstruktur till en tvådimensionell och därigenom avsevärt reducera volymen av avkodarkretsen som krävs för driften av ROM-kretsen. Denna situation illustreras av följande figur:
Figur 4. Schematisk bild av ett maskerat läsminne (ROM).
Mask-ROM visas i kretsdiagram som visas i figur 5. Adresserna till minnescellerna i detta chip matas till stiften A0 ... A9. Chipet väljs av CS-signalen. Med den här signalen kan du öka volymen på ROM (ett exempel på användning av CS-signalen ges i diskussionen). Mikrokretsen läses med hjälp av RD-signalen.
Figur 5. Mask ROM (ROM) på kretsscheman.
Programmering av maskens ROM utförs på tillverkarens fabrik, vilket är mycket obekvämt för små och medelstora produktionsbatcher, för att inte tala om utvecklingsstadiet för enheten. Naturligtvis, för storskalig produktion, är mask-ROM den billigaste typen av ROM och används därför i stor utsträckning för närvarande. För små och medelstora produktionsserier av radioutrustning utvecklades mikrokretsar som kan programmeras i speciella enheter - programmerare. I dessa ROM ersätts den permanenta anslutningen av ledare i minnesmatrisen av smältbara länkar gjorda av polykristallint kisel. Under ROM-produktion görs alla byglar, vilket motsvarar att skriva logiska enheter till alla ROM-minnesceller. Under ROM-programmeringsprocessen tillförs ökad effekt till strömstiften och utgångarna på mikrokretsen. I det här fallet, om matningsspänningen (logisk en) matas till utgången på ROM, kommer ingen ström att flyta genom bygeln och bygeln kommer att förbli intakt. Om en låg spänningsnivå appliceras på utgången från ROM (ansluten till höljet), kommer en ström att flyta genom bygeln på minnesmatrisen, som kommer att förånga den och när informationen därefter läses från denna ROM-cell, kommer en logisk nolla kommer att läsas.
Sådana mikrokretsar kallas programmerbar ROM (PROM) eller PROM och avbildas på kretsscheman som visas i figur 6. Som ett exempel på PROM kan vi namnge mikrokretsarna 155PE3, 556RT4, 556RT8 och andra.
Figur 6. Grafisk beteckning för ett programmerbart läsminne (PROM) på kretsscheman.
Programmerbara ROM-skivor har visat sig vara mycket bekväma för små och medelstora produktioner. Men när man utvecklar radio-elektroniska enheter är det ofta nödvändigt att ändra programmet som är inspelat i ROM. I det här fallet kan EPROM inte återanvändas, så när ROM är nedskrivet, om det finns ett fel eller ett mellanprogram, måste det slängas, vilket naturligtvis ökar kostnaden för hårdvaruutveckling. För att eliminera denna nackdel utvecklades en annan typ av ROM som kunde raderas och omprogrammeras.
UV-raderbar ROMär byggd på basis av en lagringsmatris byggd på minnesceller, vars interna struktur visas i följande figur:
Figur 7. UV- och elektriskt raderbar ROM-minnescell.
Cellen är en MOS-transistor där grinden är gjord av polykristallint kisel. Sedan, under tillverkningsprocessen av chipet, oxideras denna grind och som ett resultat kommer den att omges av kiseloxid, ett dielektrikum med utmärkta isoleringsegenskaper. I den beskrivna cellen, med ROM helt raderad, finns det ingen laddning i den flytande grinden, och därför leder inte transistorn ström. Vid programmering av ROM påläggs en hög spänning till den andra grinden som är placerad ovanför den flytande grinden och laddningar induceras i den flytande grinden på grund av tunneleffekten. Efter att programmeringsspänningen har tagits bort förblir den inducerade laddningen på den flytande grinden och följaktligen förblir transistorn ledande. Laddningen på den flytande grinden till en sådan cell kan lagras i årtionden.
Blockschemat för det beskrivna läsminnet skiljer sig inte från det tidigare beskrivna mask-ROM. Den enda skillnaden är att istället för en smältbar bygel används cellen som beskrivs ovan. Denna typ av ROM kallas omprogrammerbart läsminne (EPROM) eller EPROM. I ROM raderas tidigare inspelad information med hjälp av ultraviolett strålning. För att detta ljus ska kunna passera fritt till halvledarkristallen är ett kvartsglasfönster inbyggt i ROM-chippets hölje.
När ett EPROM-chip bestrålas förloras kiseloxidens isolerande egenskaper, den ackumulerade laddningen från den flytande grinden strömmar in i halvledarens volym och minnescellens transistor går in i avstängt tillstånd. Raderingstiden för RPOM-chippet varierar från 10 till 30 minuter.
Antalet skriv- och raderingscykler för EPROM-chips varierar från 10 till 100 gånger, varefter EPROM-chippet misslyckas. Detta beror på den destruktiva effekten av ultraviolett strålning på kiseloxid. Som ett exempel på EPROM-mikrokretsar kan vi nämna rysktillverkade mikrokretsar i 573-serien och utländska mikrokretsar i 27cXXX-serien. RPOM lagrar oftast BIOS-program för universella datorer. ROM-skivor avbildas i kretsscheman som visas i figur 8.
Figur 8. Grafisk beteckning av EPROM på kretsscheman.
Så fall med ett kvartsfönster är mycket dyra, liksom det lilla antalet skriv-raderingscykler, vilket ledde till sökandet efter sätt att radera information från ROM elektriskt. Det fanns många svårigheter längs denna väg, som nu praktiskt taget har lösts. Nuförtiden är chips med elektrisk radering av information ganska utbredda. Som lagringscell använder de samma celler som i ROM, men de raderas av elektrisk potential, så antalet skriv-raderingscykler för dessa mikrokretsar når 1 000 000 gånger. Tiden för att radera en minnescell i sådana ROM-minnen reduceras till 10 ms. Styrkretsen för elektriskt raderbara programmerbara ROM visade sig vara komplex, så två riktningar för utvecklingen av dessa mikrokretsar har dykt upp:
Elektriskt raderbara EEPROM är dyrare och mindre i volym, men de låter dig skriva om varje minnescell separat. Som ett resultat har dessa mikrokretsar det maximala antalet skriv-raderingscykler. Användningsområdet för elektriskt raderbart ROM är lagring av data som inte bör raderas när strömmen stängs av. Sådana mikrokretsar inkluderar inhemska mikrokretsar 573РР3, 558РР3 och utländska EEPROM-mikrokretsar i 28cXX-serien. Elektriskt raderbara ROM är betecknade på kretsscheman som visas i figur 9.
Figur 9. Grafisk beteckning av elektriskt raderbart läsminne (EEPROM) på kretsscheman.
På senare tid har det funnits en tendens att minska storleken på EEPROM genom att minska antalet externa stift i mikrokretsar. För att göra detta överförs adressen och data till och från chipet via en seriell port. I det här fallet används två typer av serieportar - SPI-port och I2C-port (mikrokretsar 93cXX respektive 24cXX-serien). Den utländska 24cXX-serien motsvarar den inhemska 558PPX-serien av mikrokretsar.
FLASH ROM skiljer sig från EEPROM genom att radering inte utförs på varje cell separat, utan på hela mikrokretsen som helhet eller ett block av minnesmatrisen för denna mikrokrets, som gjordes i EEPROM.
Figur 10. Grafisk beteckning av FLASH-minne på kretsscheman.
När du kommer åt en permanent lagringsenhet måste du först ställa in adressen för minnescellen på adressbussen och sedan utföra en läsoperation från chipet. Detta tidsdiagram visas i figur 11.
Figur 11. Tidsdiagram för signaler för att läsa information från ROM.
I figur 11 visar pilarna sekvensen i vilken styrsignaler ska genereras. I denna figur är RD lässignalen, A är celladressvalssignalerna (eftersom enskilda bitar i adressbussen kan anta olika värden, visas övergångsvägar till både ett- och nolltillståndet), D är utgångsinformationen som läses från vald ROM-cell.
Litteratur:
Tillsammans med artikeln "Read Only Memory Devices (ROM)" läser:
http://site/digital/SintSxem.php
Om det finns RISC-processorer är de nära att exekvera en instruktion varje klockcykel.
Dessutom, med förenklingen av CPU:n minskar antalet transistorer som krävs för dess implementering, därför minskar chipområdet. Och detta är förknippat med en minskning av kostnaden och energiförbrukningen.
Du bör också komma ihåg att på grund av sin enkelhet är RISC-processorer inte patenterbara. Detta underlättar också deras snabba utveckling och utbredda produktion. Samtidigt innehåller den reducerade RISC-uppsättningen endast de vanligaste kommandona. Ett antal sällsynta CISC-processorinstruktioner exekveras av sekvenser av RISC-processorinstruktioner.
Senare dök konceptet med MISC-processorer upp, med en minimal uppsättning långa instruktioner. Efter dem dök VLIW-processorer upp som arbetade med ultralånga instruktioner. Processorhastigheten mäts i miljontals operationer per sekund MIPS.
I I mikroprocessoranordningar används minne för att lagra de initiala data för informationsbearbetningsprogram för mellanliggande och slutliga beräkningsresultat.
Det finns två huvudtyper av minne:
∙RAM är en slumpmässig minnesenhet som används för att lagra data, därför kallas detta minne även dataminne. Antalet läs- och skrivcykler i RAM är inte begränsat, men när matningsspänningen stängs av går all information förlorad;
I I moderna mikroprocessorer är RAM-minne ett flernivåsystem där nivåerna av extra random access memory (SRAM), RAM, buffertminne (BZU) och externt minne (VRAM) särskiljs.
Varje efterföljande nivå skiljer sig från den föregående i kapacitet och prestanda.
Kapacitet är den maximala mängd information som kan lagras i minnet.
Prestanda kännetecknas av varaktigheten av läs- och skrivoperationer - de två huvudsakliga operationerna som utförs av minnet.
För de angivna minnesnivåerna ökar kapaciteten i riktning från SRAM till VRAM, och prestanda i motsatt riktning.
∙ROM är en skrivskyddad minnesenhet utformad för att lagra program, så detta minne kallas ofta kodminne eller programminne. ROM-chips kan lagra information när strömmen är avstängd, men kan bara programmeras en gång eller ett mycket begränsat antal gånger.
De viktigaste minnesegenskaperna som måste beaktas vid design av system:
∙Minneskapaciteten bestäms av antalet bitar av lagrad information. Kapaciteten hos en kristall uttrycks också vanligtvis i bitar. En viktig egenskap hos kristallen är informationsorganisationen hos minneskristallen MxN, där M är antalet ord, N är ordkapaciteten. Samtidigt har minne med större samplingsbredd större informationskapacitet.
∙Tillfälliga egenskaper hos minnet.
1.1 Åtkomsttid är det tidsintervall som bestäms från det ögonblick då den centrala processorn lade adressen till den önskade minnescellen på adressbussen och skickade en order om att läsa eller skriva data via styrbussen, till det ögonblick den adresserade cellen kommunicerar med datan buss.
o Återställningstid är den tid som krävs för att få minnet till sitt ursprungliga tillstånd efter att CPU har tagit bort adressen från SH, "läs" eller "skriv"-signalen från SH och data från SD.
∙Den specifika kostnaden för en lagringsenhet bestäms av förhållandet mellan dess kostnad och informationskapaciteten, dvs. bestäms av kostnaden för lite lagrad information.
∙Energiförbrukning (eller effektförlust) anges för två driftslägen för kristallen: passivt informationslagringsläge och aktivt läge, när skriv- och läsoperationer utförs med nominell hastighet.
∙ Packningsdensiteten bestäms av lagringselementets area och beror på antalet transistorer i elementkretsen och den teknik som används. Den högsta packningsdensiteten har uppnåtts i dynamiska minneskristaller.
∙Tillåten omgivningstemperatur anges vanligtvis separat för aktiv drift, passiv lagring och strömavstängning. Typ av hölje anges om det är standard, eller en ritning av höljet som visar alla mått, markeringar och numrering av kontakter om huset är nytt. Arbetsförhållanden anges också: arbetsställning, mekanisk belastning, tillåten luftfuktighet och annat.
Det finns följande huvudtyper av ROM:
∙mask ROM - de programmeras under tillverkningsprocessen genom att applicera en mask av slutna (hög nivå) och öppna byglar (låg nivå), denna typ av ROM är den billigaste, men måste tillverkas i stora kvantiteter;
∙ ROM med smältbara byglar eller elektriskt programmerbara (EPROM) - dessa mikrokretsar programmeras av konsumenten genom att skicka strömpulser tills förstörelsen av byglarna motsvarar de bitar som ska bli noll;
∙omprogrammerbar ROM med elektrisk inspelning av information och radering med ultraviolett strålning (UFPZU) - grunden för minnescellen i en mikrokrets av denna typ är en MOS-transistor med en helt isolerad "flytande" grind under programmering, oxiden bryter igenom och en laddning ackumuleras på grinden, som förblir där tills mikrokretsen utsätts för UV-bestrålning, under dess inflytande blir oxiden ledande; transistorns kanalresistans beror på laddningen på grinden och kommer att bestämma biten som skrivs till cellen;
∙Elektriskt raderbart ROM (EEPROM) är utformat på samma sätt som UFPROM, men radering sker, som skrivning, när spänningspulser appliceras; Detta är den dyraste, men också den mest bekväma typen av ROM.
∙FLASH-minnet är det mest populära för närvarande. Dess främsta fördel är att den bygger på principen om elektrisk omprogrammerbarhet, det vill säga den tillåter upprepad radering och inspelning av information med hjälp av programmerare. Det minsta garanterade antalet skriv-/raderingscykler överstiger vanligtvis flera tusen. Detta ökar livscykeln avsevärt och ökar flexibiliteten hos mikroprocessorsystem, eftersom det gör det möjligt att göra ändringar i mikroprocessorprogrammet, både i systemutvecklingsstadiet och under dess drift i en riktig enhet.
Det finns två typer av RAM-chips:
∙statiskt RAM, där basen för lagringscellen är en trigger;
61 HALVLEDARE
FÖRVARINGSENHETER
Skrivskyddade minnen är slumpmässiga minnen som bara kan läsa data. En typisk ROM-struktur visas i fig. 5.12a. ROM-kretsen har mycket gemensamt med RAM-kretsen (fig. 5.5).
Ris. 5.12. ROM med en organisation av 16 ord x 1 siffra:
a – diagram, b – UGO
I Noderna i matrisen som bildas av ett system av horisontella och vertikala bussar inkluderar minneselement - transistorer. Både bipolär och MOSFETs. Transistorernas baser (grindar) är anslutna till de horisontella (adress) bussarna, emitterna (källorna) är anslutna via en bygel till de vertikala (bit) bussarna.
Förekomsten av en bygel innebär att en 1:a är lagrad i minneselementet. Om bygeln (eller transistorn) saknas betyder det att en nolla är lagrad i minneselementet.
Avkodarens utgångar är anslutna till adressbussarna, vars ingångar tar emot en del av bitarna i adresskoden. Bitlinjerna är anslutna till multiplexorns ingångar, vars adressingångar tar emot den andra delen av ROM-adresskoden. Multiplexern har en utgång från
tre tillstånd (om G 1 = G 2 = 0, så går en av informationssignalerna till utgång Q, om en av signalerna inte är lika med 0, är utgång Q i det tredje tillståndet).
När en adresskod kommer till en av adressbussarna Y i
en hög spänningsnivå kommer att etableras, öppna transistorerna - element i drivningen av en linje. Transistorer sänder en hög nivå genom byglar till motsvarande bitlinjer. Om det inte finns några byglar vid korsningen av några vertikala bussar med den valda linjen, kommer dessa bussar att förbli låga. Signalerna från bitlinjerna matas till multiplexorns ingångar, som sänder en av signalerna till utgången Q. Vilken av bitlinjerna som är ansluten till utgången beror på den del av ROM-adresskoden som matas till multiplexoradressingångarna. Sålunda bestäms utsignalen från ROM-minnet av data som är lagrad på ett av lagringselementen.
ROM-chips har (liksom RAM-IC) en CS-väljaringång. Vissa ROM-IC har också en aktiveringssignalingång.
till VD-ingången (med VD-signalen = 1 överförs utgången till det tredje tillståndet,
när VD = 0, bestäms driftläget för ROM av signalerna vid de andra ingångarna). Symbolen för ROM-kretsen visas i fig. 5.12b (ROM - Read Only Memory).
Strukturen för ett ROM-minneselement är mycket enklare än RAM. På samma lagringsområde är det därför möjligt att bygga ett minne med större informationskapacitet. Informationen som registreras i ROM behålls när strömmen stängs av, vilket gör det bekvämt att lagra vanliga datorprogram etc. i ROM. ROM kan användas som en universell kombinationskrets. Ingångsvariablerna för kretsen matas till adressingångarna på ROM. Värdet på utgångsvariabeln som motsvarar varje ingångskombination måste skrivas i ett ROM-element med motsvarande adress. Om tillståndstabellen innehåller m indatavariabler skrivs ett m-bits dataord till varje adress. Industri
63 HALVLEDARE
FÖRVARINGSENHETER
ROM ICs produceras för användning som kodkonvertering, kontroller, teckengeneratorer, signalkonditionerare, etc.
Data kan skrivas till ROM under tillverkningsprocessen av chipet. I detta fall, med hjälp av en speciell metallmask i drivkretsen, bildas det erforderliga anslutningsalternativet för minneselement med bitbussar. Sådana minneschips kallas mask-programmable, eller mask ROM.
Exempel på IP:
K155PR6 och K155PR7 är BCD-till-binära och binära-till-BCD-omvandlare, byggda med ett 256-bitars mask-ROM baserat på TTL-element.
KR1610RE1 - mask ROM på n-MOS-strukturer med en kapacitet på 16384 bitar (2048 ord x 8 bitar). Urvalstid - 340 ns, samplingstid för utgångsaktiveringssignalen - 80 ns.
Programmerbara är permanenta lagringsenheter som gör att information kan registreras efter att chippet har tillverkats. Principen att skriva data till ett sådant programmerbart ROM (PROM) kan förklaras enligt följande. I initialtillståndet installeras byglar (till exempel nichrome) i alla delar av ROM-enheten (fig. 5.12), vilket motsvarar post 1 på alla adresser. Genom att ställa in adressen för elementet som 0 ska skrivas i, och applicera ökade pulsspänningar i en viss sekvens på uteffekten och datautgången (ofta finns det även en speciell utgång för att mata programmeringsspänning), kan man smälta bygeln av detta element. Som visas ovan betyder frånvaron av en bygel i ett visst element att 0 skrivs i det. För att skriva data till ROM används speciella enheter som kallas programmerare.
Exempel på IP:
KR556RT5 är en programmerbar ROM baserad på TTL-element med Schottky-dioder med en kapacitet på 4096 bitar (512 ord x 8 bitar). Adressprovtagningstiden är 80 ns.
EPROMs med smältbara byglar, brända av kraftiga strömpulser, kan bara programmeras en gång. Enheter som tillåter att data kan skrivas flera gånger kallas omprogrammerbar ROM (RPM). ROM-minneselementet är en MOS-transistor med lavinsprutning med två grindar, varav en
som är ansluten till den horisontella adressbussen, och den andra är isolerad och flytande. Tröskelspänningen för MOS-transistorn i initialtillståndet är nära noll. När en hög nivå appliceras på grinden som är ansluten till adressbussen, öppnas transistorn och en signal motsvarande den som registrerats i element 1 visas på motsvarande vertikala buss. Detta orsakar en injicering av elektrisk laddning i det flytande grindområdet, vilket gör att tröskelspänningen hos MOSFET ökar. När en hög spänningsnivå appliceras på grinden via adressledningen under sampling av ett element, förblir transistorn avstängd och spänningen på motsvarande bitledning ökar inte. Det betyder att elementet innehåller "0". Laddningen i den flytande slutaren bibehålls under mycket lång tid (tiotusentals timmar). Information som registrerats i ROM kan raderas om drivkristallen är upplyst med ultraviolett strålning. I detta fall försvinner laddningen av den flytande grinden och 1 återställs i alla minneselement. Efter radering kan ROM-minnet programmeras igen.
Förutom ultraviolett-raderbara ROM-skivor finns det elektriskt raderbara skrivskyddade minnesenheter. I ett sådant EPROM är minneselementet en MOS-struktur med kiselnitridisolering.
Exempel på IP:
K573PP2 är en omprogrammerbar ROM med elektrisk radering. Informationskapacitet 16384 bitar (2048 ord x 8 bitar). Adressprovtagningstiden är 350 ns. Informationslagringstiden är minst 15 tusen timmar.
K573RF2 - omprogrammerbar ROM med ultraviolett radering. Informationskapacitet - 16384 bitar (2048 ord x 8 bitar). Adressprovtagningstiden är 450 ns. Informationslagringstiden är minst 25 tusen timmar. Mikrokretsen har ett speciellt fönster för ultraviolett bestrålning (det måste vara stängt i lagringsläge). Symbolen för RPZU visas i fig. 5.13 (EPROM – Erasable Programmable ROM), UPR – programmeringsspänning. Tidsdiagram som illustrerar driften av minnet i läsläge visas i fig. 5.14.
DIGITALA ENHETER OCH MIKROPROCESSORER DEL 2
65 HALVLEDARE
FÖRVARINGSENHETER
Ris. 5.13. Omprogrammerbar ROM K573RF2 med en kapacitet på 16384 bitar (2048 ord x 8 bitar)
Ris. 5.14. Tidsdiagram för K573RF2 RPOM-drift i läsläge
Minnet är alltid en mycket komplex struktur som innehåller många element. Det är sant att den interna strukturen i minnet är regelbunden, de flesta element är desamma, anslutningar mellan element är relativt enkla, så de funktioner som utförs av minneschips är inte alltför komplexa.Minnet, som namnet antyder, är avsett för att komma ihåg och lagra vissa uppsättningar av information, med andra ord uppsättningar, tabeller, grupper av digitala koder. Varje kod lagras i ett separat minneselement som kallas en minnescell. Huvudfunktionen hos vilket minne som helst är just att utfärda dessa koder till utgångarna på mikrokretsen på en extern begäran. Och huvudparametern för minnet är dess volym, det vill säga antalet koder som kan lagras i det och bitdjupet för dessa koder.
Följande speciella måttenheter används för att indikera antalet minnesceller:
Princip minnesorganisation skrivs enligt följande: skriv först antalet celler och sedan, genom multiplikationstecknet (snedkors), bitdjupet för koden som är lagrad i en cell. Till exempel, minnesorganisation 64Kx8 betyder att minnet har 64K (det vill säga 65536) celler och varje cell är åttabitars. A minnesorganisation 4M x 1 betyder att minnet har 4M (det vill säga 4194304) celler, där varje cell bara har en bit. Total minneskapacitet mäts i byte (kilobyte - KB, megabyte - MB, gigabyte - GB) eller i bitar (kilobits - Kbits, megabits - Mbits, gigabits - Gbits).
Beroende på metoden för att mata in (spela in) information och metoden för att lagra den, är minneschips indelade i följande huvudtyper:
Det finns många mellanliggande typer av minne, såväl som många undertyper, men dessa är de viktigaste, fundamentalt olika varandra. Även om skillnaden mellan ROM och PROM från en digital enhetsutvecklares synvinkel är som regel inte så stor. Endast i vissa fall, till exempel vid användning av så kallat flashminne, som är ett PROM med upprepad elektrisk radering och omskrivning av information, är denna skillnad verkligen oerhört viktig. Flash-minne kan anses uppta en mellanposition mellan RAM och ROM.
I allmänhet har vilket minneschip som helst följande informationsutgångar (fig. 11.1):
Ris. 11.1.
I denna föreläsning kommer vi naturligtvis inte att studera alla möjliga typer av minneschips en hel bok kommer inte att räcka för detta. Dessutom finns denna information i många uppslagsverk. Minneschips produceras av dussintals företag över hela världen, så det är inte så lätt att ens lista dem alla, än mindre överväga deras funktioner och parametrar i detalj. Vi kommer bara att titta på olika kretsar för att ansluta typiska minneschips för att lösa de vanligaste problemen, samt metoder för att designa några noder och enheter baserade på minneschips. Detta är vad som är direkt relaterat till digitala kretsar. Och det är just metoderna för att koppla på mikrokretsar som beror lite på de karakteristiska egenskaperna hos en viss mikrokrets från ett visst företag.
I det här avsnittet kommer vi inte att prata om flashminne, eftersom detta är ett separat stort ämne. Vi kommer att begränsa oss till endast de enklaste ROM- och PROM-chipsen, i vilka information läggs in en gång för alla (vid tillverkningsstadiet eller av användaren själv). Vi kommer inte heller att överväga här funktionerna hos utrustning för programmering av EPROM (så kallade programmerare), principerna för deras konstruktion och användning - detta är ett separat stort ämne. Vi kommer att anta att informationen vi behöver kan registreras i ROM eller PROM, och när, hur och på vilket sätt den kommer att spelas in är inte alltför viktigt för oss. Alla dessa antaganden kommer att tillåta oss att fokusera specifikt på kretsarna för komponenter och enheter baserade på ROM och PROM (för enkelhetens skull kommer vi helt enkelt att kalla dem ROM i framtiden).
Låt oss bara nämna här att PROMs är uppdelade i omprogrammerbara eller omprogrammerbara
Alla typer av minne som vi hittills har övervägt har en gemensam egenskap: de kan både skriva information och läsa den. Den här typen av minne kallas RAM (Random Access Memory). Det finns två typer av RAM: statiskt och dynamiskt. Statiskt RAM designad med D flipflops. Information i RAM-minnet bevaras så länge som ström tillförs det: sekunder, minuter, timmar Och jämna dagar. Statiskt RAM-minne är väldigt snabbt. Vanligtvis är åtkomsttiden några nanosekunder. Av denna anledning används statiskt RAM ofta som L2-cache.
I dynamiskt RAM, tvärtom, triggers används inte. Dynamiskt RAM är en uppsättning celler som var och en innehåller en transistor och en liten kondensator. Kondensatorer kan laddas och laddas ur, vilket gör att de kan lagra nollor och ettor. Eftersom elektrisk laddning tenderar att försvinna måste varje bit i DRAM uppdatera(ladda om) med några millisekunder för att förhindra dataläckage. Eftersom extern logik måste ta hand om uppdateringen kräver dynamiskt RAM mer komplext gränssnitt än statiskt RAM, även om denna nackdel kompenseras av dess större kapacitet.
Eftersom DRAM bara behöver 1 transistor och 1 kondensator per bit (statiskt RAM kräver i bästa fall 6 transistorer per bit) har DRAM en mycket hög skrivtäthet (många bitar per chip). Av denna anledning är huvudminnet nästan alltid byggt på basis av dynamiskt RAM. Dynamiska RAM-minnen är dock mycket långsamma (åtkomsttiden tar tiotals nanosekunder). Således kombinerar kombinationen av SRAM-baserad cache och DRAM-baserat huvudminne fördelarna med båda enheterna.
Det finns flera typer av dynamiskt RAM. Den äldsta typen som fortfarande används är FPM (Fast Page Mode - snabb sida
Minne 175
läge)-. Detta RAM-minne är en matris av bitar. Hårdvaran representerar radadressen och sedan kolumnadresserna (vi beskrev denna process när vi pratade om minnesenheten som visas i figur 3.30. 6).
FPM byts successivt ut EDO 1 (Extended Data Output - minne med utökade utgångsmöjligheter), som låter dig komma åt minnet innan den föregående åtkomsten är klar. Detta pipelineade läge gör inte minnesåtkomst snabbare, men det ökar genomströmningen och producerar fler ord per sekund.
Både FPM och EDO är asynkrona. I motsats till dem, den sk synkront dynamiskt RAM styrs av en klocksignal. Denna enhet är en hybrid av statiskt och dynamiskt RAM. Synkront dynamiskt RAM-minne används ofta vid produktion av stort cacheminne. Kanske kommer denna teknik att bli den mest föredragna vid tillverkning av huvudminnen i framtiden.
RAM är inte den enda typen av minneschip. I många fall måste data behållas även om strömmen är avstängd (till exempel när det gäller leksaker, olika enheter och maskiner). Dessutom bör varken programmen eller data ändras efter installationen. Dessa krav har lett till uppkomsten ROM (skrivskyddat minne) enheter) som inte tillåter att informationen som lagras i dem ändras eller raderas (varken avsiktligt eller oavsiktligt). Data skrivs till ROM under produktionen. För att göra detta görs en stencil med en specifik uppsättning bitar, som appliceras på det ljuskänsliga materialet, och sedan etsas de öppna (eller stängda) delarna av ytan. Det enda sättet att ändra programmet i ROM är att ändra hela chippet.
ROM-skivor är mycket billigare än RAM-minne om du beställer dem i stora mängder för att täcka kostnaden för att tillverka stencilen. De tillåter dock inte ändringar efter att ha lämnat produktionen, och det kan gå flera veckor mellan det att en beställning av ett ROM skickas till dess att den är färdig. För att göra det lättare för företag att utveckla nya ROM-baserade enheter, programmerbara ROM. Till skillnad från konventionella ROM kan de programmeras i fält, vilket minskar ledtiderna. Många programmerbara ROM innehåller en rad små smältbara länkar. Det är möjligt att bränna ut en specifik bygel om du väljer önskad rad och önskad kolumn, och sedan applicerar högspänning på ett specifikt stift på chipet.
Nästa utveckling av denna linje är en raderbar programmerbar ROM, som inte bara kan programmeras under driftförhållanden, utan även information kan raderas från den. Om kvartsfönstret i en given ROM utsätts för starkt ultraviolett ljus i 15 minuter kommer alla bitar att ställas in på 1. Om många ändringar behöver göras under ett designsteg är raderbara ROM mycket mer kostnadseffektiva än vanliga programmerbara ROM:er eftersom de kan användas om och om igen. EPROM är vanligtvis utformade på samma sätt som statiskt RAM. Till exempel har mikrokretsen 27C040 en struktur som visas i fig. 3.30, A, och denna struktur är typisk för statiskt RAM.
EDO dynamiskt minne ersatte konventionellt FPM dynamiskt minne i mitten av 1990-talet. - Notera undervisa, red.
Nästa steg är ett elektroniskt omprogrammerbart ROM, från vilket information kan raderas genom att applicera pulser på det, och som inte behöver placeras i en speciell kammare för att utsättas för ultravioletta strålar. Dessutom, för att omprogrammera den här enheten, behöver den inte sättas in i en speciell programmeringsmaskin, till skillnad från ett raderbart programmerbart ROM. Men å andra sidan är de största EEPROM-skivorna 64 gånger mindre än konventionella raderbara ROM-skivor, och de fungerar med halva hastigheten. EEPROM kan inte konkurrera med DRAM och statiskt RAM eftersom de är 10 gånger långsammare, har 100 gånger mindre kapacitet och är mycket dyrare. De används endast i situationer där det är nödvändigt att spara information när strömmen stängs av.
En modernare typ av elektroniskt programmerbar ROM är flashminne. Till skillnad från EPROM, som raderas genom exponering för ultraviolett ljus, och EPROM, som raderas byte för byte, raderas flashminnet och skrivs i block. Liksom alla elektroniskt programmerbara ROM, kan flashminne raderas utan att ta bort det från chipet. Många tillverkare tillverkar små kretskort som innehåller tiotals megabyte flashminne. De används för att lagra bilder i digitalkameror och för andra ändamål. Kanske kommer flashminne en dag att ersätta diskar, vilket skulle vara ett stort steg framåt med tanke på åtkomsttider på 100 sekunder. Det största tekniska problemet för tillfället är att flashminnet slits ut efter 10 000 raderingar, och enheter kan hålla i åratal oavsett hur många gånger de skrivs om. En kort beskrivning av de olika typerna av minne ges i tabell. 3.2.
Tabell 3.2. Egenskaper hos olika typer av minne
| Typ av förvaring | Kategori | Raderar | Ändra | Energi | Ansökan |
| godkänd | uppgifter | information | beroende | ||
| enheter | byte byte | bro | |||
| Statisk | Läsning/ | Elektrisk | Ja | Ja | Cacheminne |
| RAM (SRAM) | spela in | andra nivån | |||
| Dynamisk | Läsning/ | Elektrisk | Ja | Ja | Huvudminne |
| RAM (DRAM) | spela in | ||||
| ROM(YaOM) | Endast | Omöjlig | Inga | Inga | Enheter |
| läsning | stor storlek | ||||
| Programmera | Endast | Omöjlig | Inga | Inga | Enheter |
| världslig | läsning | små | |||
| ROM (PROM) | storlek | ||||
| Tvättbar | Primärt | Ultra- | Inga | Inga | Modellering |
| programmera | väsentligt | violett | enheter | ||
| världslig | läsning | ljus | |||
| ROM(ERRYUM) | |||||
| Elektronisk | Primärt | Elektrisk | Ja | Inga | Modellering |
| programmera om | väsentligt | enheter | |||
| världsbar ROM | läsning | ||||
| (EEPROM) | |||||
| flashminne | Läsning/ | Elektrisk | Inga | Inga | Digitalkameror |
| (Flash) | spela in |
Processorchips och bussar 177
Processorchips och bussar
Eftersom vi redan känner till viss information om MIC, SIS och minneschip, kan vi sätta ihop alla komponenter och studera hela system. I det här avsnittet kommer vi först att titta på processorer på digital logiknivå, inklusive pinout (det vill säga betydelsen av signalerna vid de olika stiften). Eftersom CPU:er är nära knutna till bussarna de använder, kommer vi också kortfattat att beskriva de grundläggande principerna för bussdesign. I följande avsnitt kommer vi att beskriva i detalj exempel på centralprocessorer och bussar för dem.
Processorchips
Alla moderna processorer får plats på ett chip. Detta gör deras interaktion med resten av systemet ganska bestämd. Varje processorchip innehåller en uppsättning stift genom vilka information utbyts med omvärlden. Vissa stift sänder signaler från CPU, andra tar emot signaler från andra komponenter och andra gör både och. Genom att undersöka funktionerna hos alla stift kan vi lära oss hur processorn interagerar med minne och I/O-enheter på den digitala logiska nivån.
Utgångarna från det centrala processorchippet kan delas in i tre typer: adress, information och kontroll. Dessa stift är anslutna till motsvarande stift på minneschippen och I/O-enhetschipsen genom en uppsättning parallella ledningar (kallad buss). För att utfärda en instruktion skickar CPU:n först adressen för den instruktionen till minnet via adressstiften. Den avfyrar sedan en eller flera kontrollrader för att tala om för minnet att den behöver läsa till exempel ett ord. Minnet producerar ett svar genom att placera det önskade ordet på processorns informationsstift och skicka en signal om att det är klart. När CPU:n tar emot denna signal, accepterar den ordet och utför det anropade kommandot. ■ Ett kommando kan kräva läsning eller skrivning av ord som innehåller data. I detta fall upprepas hela processen för varje ytterligare ord. Vi kommer att titta på hur läs- och skrivprocessen går till i detalj nedan. Det är viktigt att förstå att centralenheten kommunicerar med minne och in-/utgångsenheter genom att skicka signaler till utgångar och ta emot signaler till ingångar. Det finns inget annat sätt att utbyta information.
Antalet adressstift och antalet informationsstift är två nyckelparametrar som bestämmer processorns prestanda. En mikrokrets som innehåller m adressstift kan komma åt 2 t minnesceller. Typiskt är m 16, 20, 32 eller 64. Ett chip som innehåller n datastift kan läsa eller skriva ett n-bitars ord i en operation. Vanligtvis är n 8, 16, 32, 36 eller 64. En CPU med 8 datastift behöver 4 operationer för att läsa ett 32-bitars ord, medan en processor med 32 datastift kan göra samma jobb i ett
Kapitel 3. Digital logiknivå
drift. Följaktligen fungerar ett chip med 32 informationsstift mycket snabbare, men kostar också mycket mer.
Förutom adress- och informationsstift innehåller varje processor kontrollstift. Styrstiften reglerar och synkroniserar dataflödet till och från processorn och utför olika andra funktioner. Alla processorer innehåller stift för ström (vanligtvis +3,3 V eller +5 V), jord och en klocksignal (kvadratvåg). De återstående stiften varierar från processor till processor. Styrutgångar kan dock delas in i flera huvudkategorier:
1. Bussledning.
2. Avbryt.
3. Bussskiljedom.
4. Skick.
5. Övrigt.
Nedan beskriver vi kort var och en av dessa kategorier. Vi kommer att ge mer detaljer när vi tittar på Pentium II, UltraSPARC II och picojava II-chips. Kretsschemat för en typisk centralenhet som använder dessa typer av signaler visas i fig. 3,31.
