<<
>>

Запоминающие элементы полупроводниковых ЗУ

По типу используемого для хранения информации запоминающего элемента все ОЗУ подразделяются на статические (SRAM — Static RAM) и динамические (DRAM — Dynamic RAM) [6]. В статических ОЗУ каждую ячейку образует запоминающий элемент в виде бистабильной схемы (схема с двумя устойчивыми состояниями), называемой триггером.
В БИС ОЗУ, построенных на МОП-(металл-окисел-полупроводник) технологии, такие схемы выполнены на шести МОП-транзисторах (рис. 7.5 а) с обязательным использованием внешнего источника питания (Епнт). В них транзисторы ТЗ и Т4 выполняют роль нагрузочных резисторов, а транзисторы Т1 и Т2 всегда (кроме момента переключения) находятся в противоположных состояниях. Когда один из транзисторов (например, Т2) открыт (проводит ток), то с него на другой транзистор (Т1) поступает запирающий потенциал. В свою очередь, с закрытого транзистора снимается потенциал, поддерживающий проводящее состояние открытого транзистора. Рис.
7.5. Запоминающие элементы: а) статического ОЗУ; б) динамического ОЗУ В таком устойчивом состоянии (которому при закрытомТ1 присвоено значение 0) схема находится до тех пор, пока с помощью отпирающего сигнала «Выбор элемента» не откроются транзисторы Т5, Тб и через них на Т1 и Т2 одновременно не поступят с линий (W/R), и (W/R)0 открывающий («1») и закрывающий («0») сигналы. После переключения схема опять будет находиться в устойчивом состоянии (которому присвоено значение 1) до нового разрешения (единичный сигнал «Выбор элемента») и записи ноля (0 на линии (W/R)j и 1 на линии (W/R)0. Если же на элемент, сохраняющий 1, будет подан набор сигналов, соответствующий записи 1, то его состояние не изменится. Современные запоминающие устройства статического типа с произвольным доступом (SRAM) отличаются высоким быстродействием, но в микропроцессорных системах применяются ограниченно из-за сравнительно высокой стоимости.
В таких системах они используются только в качестве кэш-памяти. Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью, служащую для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти: в нее заносятся наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения может быть с гораздо большей скоростью из нее извлечено. При записи в память информация попадает в кэш и одновременно копируется в память (схема Write Through — прямая или сквозная запись) или копируется через некоторое время (схема Write Back — обратная запись). При обратной записи, называемой также буферизованной сквозной записью, информация копируется в память в первом свободном такте, а при отложенной (Delayed Write) — когда для помещения в кэш нового значения не оказывается свободной области; при этом в основное ОЗУ вытесняются сравнительно редко используемые данные. Вторая схема более эффективна, но и более сложна за счет необходимости помержания соответствия содержимого кэша и основной памяти. Динамический запоминающий элемент можно построить на трех МОП-транзисторах (рис. 7.5 б). В нем информация запоминается на паразитной емкости, всегда существующей между электродами транзистора (на схеме эта емкость показана в виде отдельного конденсатора Сп). Хранение данных в таком запоминающем элементе связано с состоянием проводимости Т2, которое определяется зарядом конденсатора. Если заряд конденсатора обеспечи- вает достаточный открывающий потенциал, то Т2 открыт. Это состояние не является самоподл,ерживающимся, поскольку конденсатор постепенно саморазряжается. Если же заряд конденсатора мал или отсутствует, то Т2 закрыт и это состояние является само- поддерживающимся. Кроме Т2, в каждом запоминающем элементе присутствуют два транзистора для подключения элемента к линиям «Запись» и «Чтение». Из-за разряда запоминающих емкостей, вызванного током утечки, необходимо периодически подзаряжать емкости, хранящие заряд.
Упрощения выполнения такой задачи можно добиться организацией перезаписи содержимого каждого элемента. Тогда, связывая между собой линии «Чтение» и «Запись» каждого столбца и подавая периодически сигналы на линии выбора строк (опрашивая по линии «Выбор элемента») все элементы, расположенные в этой строке, обеспечивают перезапись каждого из элементов строки (содержимое, появившееся на линии «Чтение» какого-либо столбца, поступает через формирователь на линию «Запись» этого столбца и далее в тот же элемент, с которого считывалась информация). Такой процесс называется регенерацией памяти (Refresh). Для регенерации всех элементов памяти модули динамической памяти снабжают логической схемой регенерации, которая реализует наиболее приемлемую стратегию такого процесса. В простейшем случае схема регенерации может выработать и подать на дешифраторы строк БИС адрес первой строки, а также сигналы «Выбор кристалла» всех БИС, т. е. одновременно регенерировать элементы, расположенные в первых строках всех БИС модуля, затем выработать аналогичные сигналы обращения ко второй строке всех БИС и т. д., пока не будут регенерированы все строки (все элементы памяти). На регенерацию памяти затрачивается не более 1—2% всего времени ее работы. Однако в процессе регенерации память недоступна для других устройств, и поэтому, например, исполнение запроса процессора на запись или чтение может задержаться на несколько десятков микросекунд. Если такой режим работы нежелателен, то логическая схема регенерации снабжается дополнительными блоками, позволяющими приостановить процесс регенерации на время выполнения запроса процессора или другого устройства, связанного с памятью. В последнее время в качестве запоминающего элемента динамических ОЗУ применяют однотранзисторные ЗЭ [24]. На рис. 7.6 представлена электрическая схема и конструкция однотранзисторного ЗЭ. лзс Рис. 7.6. Запоминающий элемент динамического ЗУ: а) схема: б) конструкция Ключевой транзистор отключает запоминающий конденсатор Сз от линии записи-считывания (АЗС) или подключает его к ней.
Сток транзистора не имеет внешнего вывода и образует одну из обкладок конденсатора. Другой обкладкой служит подложка. Между обкладками расположен тонкий слой диэлектрика — оксида кремния Si02. Затвор подключен к линии выбора элемента (АВ). В режиме хранения ключевой транзистор заперт. При выборке данного ЗЭ на затвор подается напряжение, отпирающее транзистор. Запоминающая емкость через провод ящий канал подключается к линии записи-считывания и в зависимости от заряженного или разряженного состояния емкости различно влияет на потенциал линии записи-считывания. При записи потенциал линии записи-считывания передается на конденсатор, определяя его состояние. В однотранзисторном ЗЭ конденсатор также неизбежно теряет со временем свой заряд и хранение данных требует их периодической регенерации. Ячейки микросхем динамической памяти, как было указано выше, организованы в виде прямоугольной матрицы: при обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем, через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). При каждом обращении к отдельной ячейке регенерируются все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенерации матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки динамической памяти имеют сравнительно малое быстродействие (десятки-сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка нескольких Мегабайт на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамические ОЗУ с запоминающим конденсатором наиболее часто используются в современных микропроцессорных системах в качестве ОЗУ. Объем такого ОЗУ достигает 1 Гбайт и более. ПЗУ в отличие от ОЗУ не теряют информации при выключении питания и допускают только считывание информации. Все микросхемы ПЗУ можно разделить на два типа: программируемые единожды и перепрограммируемые [6]. К первому типу относятся масочные ПЗУ, программируемые в процессе изготовления микросхем, и ПЗУ, программируемые пользователем при помощи плавких перемычек.
Накопитель ПЗУ обычно выполняют в виде системы взаимно перпендикулярных шин, в пересечениях которых находится логический элемент, связывающий две шины и определяющий записанный в ячейку ноль или единицу. Выборка слов в ПЗУ осуществляется с помощью дешифратора адреса. В масочных ПЗУ информация в микросхему заносится при изготовлении построением одного из слоев схемы при помощи фотошаблона, что и определяет их название. На рис. 7.7 представлено масочное ПЗУ, запись в которое произведена путем металлизации участков, соединяющих через диоды соответствующие линии строк и столбцов. Рис. 7.7. ПЗУ емкостью 4 байта Большее распространение получили микросхемы ПЗУ на основе плавких перемычек. В этих микросхемах элементом связи между шинами является биполярный транзистор с выжигаемой перемычкой (рис. 7.8). Рис 7.8. Схема элемента памяти ПЗУ с плавкими перемычками При программировании для записи ноля через соответствующий переход транзистора пропускают импульс тока, необходимый для удаления перемычки. К репрограммируемым обычно относят микросхемы ПЗУ с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием и ПЗУ с электрическим программированием и электрическим стиранием. Организация РПЗУ отличается от организации ППЗУ тем, что между линиями строк и столбцов установлены не диоды с плавкими перемычками, а специальные МОП-транзисторы (с изолированным затвором). После изготовления все МОП-транзисторы обладают очень большим сопротивлением (т. е. закрыты). Подачей импульса большой амплитуды МОП-транзистор переводится в проводящее состояние, которое он может сохранять даже по истечении 10 лет. Для возвращения МОП-транзисторов в исходное (закрытое) состояние их надо подвергнуть длительному воздействию ультрафиолетовых лучей. Групповое облучение всех МОП- транзисторов производится на специальных установках в течение 10—30 мин через прозрачное (кварцевое) окно в корпусе БИС. После этого БИС РПЗУ оказывается в исходном состоянии и ее можно снова программировать. В ПЗУ с электрическим программированием и электрическим стиранием после программирования можно вернуть в исходное состояние (стереть) любой отдельно взятый МОП-транзистор. К этому типу перепрограммируемого ПЗУ относится и Flash Memory — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты. Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти в ЭВМ — микросхема BIOS, содержащая программу начальной загрузки ОС. 7.2.3.
<< | >>
Источник: О.А. Акулов Н.В. Медведев. Информатика и вычислительная техника. 2005

Еще по теме Запоминающие элементы полупроводниковых ЗУ:

  1. ЗАПОМИНАЙТЕ ИМЕНА ЛЮДЕЙ
  2. 2.3.2. Человек, который запоминает все
  3. ТЕОРИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СОЗНАНИЯ
  4. 1. Понятие и элементы гражданского правоотношения
  5. § 3. Элементы обязательства доверительного управления
  6. Глава 3. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В АСТРОЛОГИИ
  7. Сценарные элементы
  8. 35. Элементы организации
  9. 22. Элементы культуры
  10. Стихийные элементы