К основным характеристикам ЗУ относятся информационная емкость и быстродействие. Под информационной емкостью понимают то наибольшее количество машинных слов или двоичных разрядов, которое одновременно может храниться в ЗУ; под быстродействием — время, необходимое для записи или считывания информации из ЗУ (это время еще называется циклом ЗУ).

Сверхоперативное ЗУ предназначено для хранения операндов и промежуточных результатов вычислений. СОЗУ —это память, обычно встраиваемая в вычислитель. Она выполняется в виде регистров общего назначения (РОН), информация которых используется при вычислениях в арифметических логических устройствах (АЛУ). СОЗУ изготавливается обычно по полупроводниковой технологии с быстродействием от единиц до десятков наносекунд и емкостью в 8—16 машинных слов.

Оперативное ЗУ служит для хранения программ и данных, необходимых в процессе выполнения задачи. Из оперативной памяти (ОП) в устройство управления (УУ) поступают команды программы, а в регистры АЛУ — операнды, участвующие в операции. Из АЛУ в ОП направляются для хранения промежуточные и окончательные результаты вычислений.

Постоянное ЗУ — это устройство, из которого можно считать заранее записанную информацию. Считывание—основной режим работы ПЗУ. ПЗУ является энергонезависимым устройством (поскольку информация, занесенная в ПЗУ, при отключении питания не исчезает) . ПЗУ часто называют памятью типа ROM (Read — Only memory— память только со считыванием).

Запоминающее устройство на магнитных дисках — это ЗУ с прямым доступом к информации, так как хранящаяся в ЗУ информация может быть считана в ОП за время, не превышающее некоторого значения, необходимого для перемещения считывающей головки дисковода на заданный участок магнитного диска. ЗУ на магнитных лентах — это ЗУ с последовательным доступом, так как запись и считывание информации производятся путем последовательной перемотки.

Кроме перечисленных основных типов ЗУ, в последнее время появились комбинированные магнитооптические ЗУ и оптические ЗУ на дисках, позволяющие записывать 1 Гбайт информации на одной стороне диска диаметром 30 см.

В микро-ЭВМ применяется два основных класса полупроводниковых ЗУ: ОЗУ и ПЗУ, классификация которых дана на рис. 5.1.

В ОЗУ с произвольной выборкой основной режим работы — это запись / считывание. ОЗУ используется для хранения данных и результатов промежуточных вычислений.

В ПЗУ основной режим работы — считывание, а запись производится либо на этапе изготовления, либо пользователем. В ПЗУ обычно хранятся программы, подпрограммы, таблицы, константы и т. п.

Рис. 5.1, Классификация полупроводниковых ЗУ

Динамическая память — ЗУ, в котором метод хранения данных допускает их передвижение или изменение в процессе хранения, в результате чего считывание не всегда возможно в произвольный момент времени. Примером динамической памяти является МОП-ячейка с запоминанием информации на конденсаторах, которая требует периодического восстановления заряда, линии задержки или сдвигающего регистра с рециркуляцией.

Статическая полупроводниковая память— ЗУ, ячейки которого выполнены на основе триггерных схем.

Основные параметры различных ЗУ, разработанных и выпускаемых в настоящее время, приведены в табл. 5.1. Данные этой таблицы

Таблица 5.1. Основные параметры ЗУ

свидетельствуют о том, что имеются ЗУ с очень большим объемом памяти. У динамических ОЗУ степень интеграции выше, чем у статических. Однако для реализации цикла регенерации в динамических ОЗУ требуются дополнительные аппаратные средства, что делает динамическую память эффективной для ОЗУ относительно большого объема (более 4096 ячеек). Наибольшим быстродействием обладают статические ЗУ, изготовленные по биполярной технологии. Один из перспективных типов ЗУ — это ОЗУ, выполненные по КМОП-технологии (они имеют малое потребление мощности в режиме хранения и обладают высоким быстродействием).

встроенные ЗУ, представляющие собой регистры памяти универсальных микропроцессорных систем, а также ОЗУ и ПЗУ объемом до 8 Кбайт, размещенные на одной подложке с решающей частью;

платы ЗУ — набор БИС различного типа (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ) для организации памяти микро-ЭВМ.

В качестве примера рассмотрим статическую память, выполненную на рМОП-транзисторах. Фрагмент схемы ЗЭ для ЗУ с пословной выборкой показан на рис. 5.2, а. Хранимая информация определяется состоянием транзисторов VT1 и VT2: состоянию, когда включен VT2, а выключен VT1, присваивается единица, а противоположному состоянию — нуль. Транзисторы VT3 и VT4 выступают в роли резисторов, a VT5 и VT6 используются как вентили разрешения.

Запись производится установкой уровня логической единицы на шине выбора ячейки. Транзисторы VT5 и VT6 открываются и шины установки уровня нуля и единицы подключаются к соответствующим затворам транзисторов VT1 и VT2. Для записи единицы на шине устанавливается уровень логической единицы, а для записи нуля — уровень логического нуля. При этом VT2 открывается, а VT1 — за-

Рис. 5.2. Фрагмент схемы ЗЭ с пословной выборкой (а) и временная диаграмма его работы (б)

Считывание осуществляется подачей напряжения, соответствую-цего уровню логического нуля, на шину выбора ячейки. Состояние /Т1 передается на шину установки уровня нуля, а состояние VT2 — ia шину установки уровня единицы.

Количество ЗЭ и их размещение в БИС памяти широко варьи-)уются. Общая емкость изменяется от 256 Х 4 до 4К Х 1. ЭЗУ 256 Х 4 содержит 256 ячеек по 4 бита, 4К Х 1 имеет 4096 ячеек ю 1 биту.

1. Высокая плотность. Динамический ЗЭ можно реали-ювать на трех или даже одном МОП-транзисторе. В связи с этим на подложке размещается большое количество ЗЭ, а следовательно, уменьшается число БИС в модуле памяти.

2. Малое потребление энергии. Динамический ЗЭ не потребляет тока, за исключением тех относительно коротких отрезков времени, когда он работает. В связи с этим такие ОЗУ нашли применение при построении энергонезависимой памяти.

3. Экономичность. Удельная стоимость динамических ОЗУ меньше статических. Так как динамические ОЗУ требуют более сложных схем управления, они используются только при организации больших объемов памяти. При малых объемах памяти применять их невыгодно.

Основным видом ячейки памяти для динамических ЗУ большой емкости (от 4 до 16 Кбайт и более) стал однотранзисторный ЗЭ, схема которого изображена на рис. 5.3. При считывании на одной из шин выбора строки в соответствии с младшими битами адреса (адрес строки) устанавливается высокий потенциал. При этом включается транзистор

VTI (количество транзисторов VT1 зависит от числа ЗЭ в строке) для всех ЗЭ выбранной строки.

Усилитель регенерации, соединенный с каждым столбцом, воспринимает уровень напряжения на соответствующей емкости как 0 или 1. Выбранный элемент подключается к выходу по заданному адресу столбца. В процессе считывания емкости во всей строке разряжаются. Чтобы сохранить информацию, усилители регенерации осуществляют запись в ту же строку элементов. Операция записи выполняется аналогично, но в выбранном элементе запоминаются данные, а остальные элементы в этой строке регенерируются. Так как со временем емкость С разряжается через р—п переход, то требуется постоянно считывать и записывать элементы динамической памяти. Такой процесс называется регенерацией.

На рис. 5.4 показана схема 4 Х 1 -разрядного динамического ЗУ на однотранзисторных ЗЭ. Эта матрица имеет вид 2х2 ячейки. Благодаря адресации строки и столбца ЗУ работает как четыре одноразрядных устройства. Во время считывания возбуждаются шины записи и считывания и энергия от одного из конденсаторов С1 передается на шину данных. Для записи слова адресуется требуемая ячейка, а на шину записи подается импульс напряжения так, чтобы послать информацию с шины данных на конденсатор хранения записи С2. При регенерации запись следует сразу же за циклом считывания. Шина выбора столбца отключается, и, следовательно, регенерация происходит во всех рядах одновременно. При считывании заряд С1 временно хранится на С2 и затем по команде на регенерацию (запись) передается на С1.

ПЗС-память состоит из цепочек близко расположенных МОП-емкостей (рис. 5.5). Бит информации в ПЗС-памяти хранится в виде уровня заряда в элементах. Для сохранения разделенных зарядовых пакетов и передачи их в соседние элементы отдельно подается сигнал многофазной синхронизации.

P,ic. 5.5. Структура ПЗС в режимах хранения (а) и передачи заряда (б)

Рис. 5.6, Организация ПЗС ЗУ с произвольно выбираемыми параллельными регистрами

ПЗС-память можно считать длинным регистром. Частота сдвига таких регистров лежит в пределах от 50 кГц до 5 МГц. ПЗС-регистр аналогичен динамическому ЗУ, так как хранимые заряды в элементе памяти уменьшаются из-за токов утечки и потерь при передаче. Для компенсации этих потерь ПЗС-память организуется в виде нескольких кольцевых регистров сдвига, выход которых для рециркуляции через усилители регенерации подается на вход.

ПЗС-память организуется как система сдвиговых регистров с соответствующими схемами управления. Наиболее быстродействующая ПЗС-память при малой потребляемой мощности и организацией в виде произвольно выбираемых параллельных регистров (рис. 5.6) имеет емкость 64 Кбит и организована как 16 произвольно выбираемых регистров по 4 Кбит каждый. Дешифратор выбирает один из 16 регистров. Сдвиг осуществляется сразу во всех 16 регистрах. При обращении к одному из регистров во всех остальных рециркулируется и регенерируется информация. Время выборки произвольного бита (время ожидания) на частоте 5 МГц равно 400 мкс. Потребляемая мощность 3,5 мкВт/бит на частоте 5 МГц и 0,6 мкВт/бит в режиме хранения.

Запоминающие устройства на ЦМД используются в качестве внешних ЗУ. Емкость таких ЗУ в настоящее время достигает более 1 Мбит (К1602РУ2А). ЗУ на ЦМД энергонезависимы и позволяют хранить до 10⁷ бит информации на площади в 1 см² при малой потребляемой мощности.

Для функционирования ЗУ на ЦМД необходимы устройства сопряжения: формирователи импульсов токов точной амплитуды и длительности, управляемые от стандартных ТТЛ-схем; усилитель считывания; блоки управления и синхронизации. ЗУ на ЦМД имеют малые размеры, а следовательно, их можно размещать на плате совместно с МП. Организация памяти одного из вариантов ЗУ на ЦМД показана на рис. 5.7.

Функциональная схема статического МОП-ОЗУ емкостью 1024 ячейки с матрицей внутренней разрядной организации изображена на рис. 5.8.

Собственно ЗУ организовано в виде матрицы элементов, которая состоит из 32 столбцов и 32 строк. Адреса ЛО—Л4 предназначены для дешифровки номера строки, адреса Л5—Л9 — для дешифрации номера столбца. Схема управления решает задачу переключения режима “Запись — чтение”. Вход “Выбор кристалла” (ВК.) предназначен для расширения объема памяти до требуемого, ограничиваемого разрядностью адресного поля команды.

Рис. 5.8. Функциональная схема статического МОП-ОЗУ с организацией 1024 X 1 ячеек с раздельными вводом и выводом данных

связи с общей шиной. С целью устранить этот недостаток разработаны схемы ОЗУ с общими выводами для входных и выходных сигналов (рис. 5.9), где выбор одного из восьми слов в строке осуществляется с помощью пятиразрядного дешифратора строк и трехразрядного дешифратора столбцов. Расширение памяти до требуемого объема реализуется подачей комбинаций сигналов на управляющие входы ВК.

статического ОЗУ. Функциональная схема динамического ОЗУ с организацией 4096 Х 1 ячеек изображена на рис. 5.10. Восстановление заряда емкостей производится схемой регенерации с таймером для формирования периода регенерации в 1—2 мс. Заряд емкостей, расположенных в одном столбце, обновляется одновременно, а емкостей в следующем столбце — через время, определяемое внутренним таймером. Во время регенерации цепи передачи данных блокируются. Принцип работы остальных элементов схемы такой же, как и у статических ОЗУ.

4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПЗУ И ППЗУ

Постоянные и перепрограммируемые ЗУ отличаются друг от друга емкостью, разрядностью и числом входов ВК.- ПЗУ имеют обычно словарную организацию. Функциональная схема ПЗУ показана на рис. 5.11. С помощью сигнала ВК. можно отключать буферный регистр от шины данных. В ПЗУ имеется специальный вход “.Ввод программы)), посредством которого производится программирование ПЗУ.

Рис. 5.12. Горизонтрльное наращивание памяти с целью получить длину ячеек в 8 бит при объеме 1024 слов (1024 х 8)

каждой из ячеек соответствующей БИС. Шесть старших разрядов необходимы для выделения с помощью дешифратора одного из 64 управляющих сигналов ВК..

В схеме, изображенной на рис. 5.14, из 64 управляющих сигналов для управления памятью необходимо только \б(ВКО—ВК15), остальные (с BKf6 no BK63) могут быть использованы для расширения объема памяти. Увеличение объема ППЗУ в этой схеме реализовано путем наращивания по “вертикали”, увеличение разрядности ОЗУ — наращиванием по “горизонтали”, а необходимый объем памяти ОЗУ — наращиванием по “вертикали”.

Как отмечалось выше, в настоящее время существуют: ПЗУ, программируемые при изготовлении; ПЗУ, программируемые пользователем, и ППЗУ. ПЗУ первого типа программируются на одном из по

следних технологических этапов их изготовления. Программирование производится за счет металлизации требуемых промежутков в схеме. Фотошаблон, с помощью которого производится металлизация, достаточно дорог в изготовлении. Поэтому программирование этим способом выгодно только при крупносерийном производстве таких ПЗУ.

Пример ПЗУ на МОП-транзисторах показан на рис. 5.15. Тут операция “ИЛИ—НЕ” реализуется

Постоянные ЗУ третьего типа можно программировать, стирать и программировать заново; такие ПЗУ называются перепрограммируемыми (ППЗУ). Как отмечалось, в ППЗУ используются схемы, изготовленные по МНОП- и ЛИЗМОП-технологии. Программирование их производится с помощью специальных программаторов, а стирание информации — ультрафиолетовым излучением достаточной интенсивности.

Устройство управления ЭВМ имеет большое количество входных переменных (40—50) и выходных функций (50—70). Для разработки такого У У с применением ПЗУ потребовалось бы ПЗУ с огромным объемом памяти (2⁴⁰ • 50 бит). Существуют различные способы снижения разрядности памяти ПЗУ. Это — введение узла анализа входных линий для снижения разрядности адреса либо применение ЗУ с адресным доступом, соединенных в несколько последовательных уровней. Однако оба эти способа снижают быстродействие системы

Структурная схема ПЛМ показана на рис. 5.16. ПЛМ состоит из двух матриц. Матрица Ml формирует k конъюнкций входных переменных, а матрица М2 — п дизъюнкций от конъюнкций Ml. Число входов может достигать десятков, а число цепей Zi, Zg, ..., 7k — более ста.

Рис. 5.16. Структурная схема ПЛМ

Принципиальная схема ПЛМ изображена на рис. 5.17. При построении матриц Ml и М2 на пересечении горизонтальных и вертикальных цепей включаются полупроводниковые биполярные или МОП-элементы. Входные сигналы х₁, х₂, ..., x_n коммутируются через транзисторы с информационными шинами, образуя логические произведения тех входных переменных, соединения с шинами которых были произведены.

Прямые и обратные значения входных сигналов х₁, х₂, ..., x_n образуют на выходах z₁, z₂,... , z_k функции

где х_k может принимать значения х_k , или 1 (единица будет в случае отсутствия связи с переменной x_k).

Количество функций z_k будет зависеть от числа логических элементов, формирующих вертикальные шины. Сформированные аналогично

выходные сигналы уп соответствуют

уравнению

у„ = Z₁, V Z₁., V ... V Zk.

Принцип реализации операции конъюнкции применительно к рис. 5.17 показан на рис. 5.18, а дизъюнкции — на рис. 5.19.

Рис. 5.17. Принципиальная схема ПЛМ

Рис. 5.18. Принцип реализации операции конъюнкции в ПЛМ по рис. 5.17

Рис. 5.19. Принцип реализации операции дизъюнкции в ПЛМ по рис. 5.17

Отличие ПЗУ от ПЛМ состоит в способе адресации информационного поля данных, в распределении информационных полей, возможности одновременного опроса нескольких формируемых функций. Разные адреса могут определять одну и ту же формирующую функцию. Возможны варианты определения более одной переходной функции с помощью одного адреса. Используя два различных адреса, можно адресовать одну и ту же область данных матрицы для обращения к микропрограммам по различным адресам. Это дает возможность перехода к микропрограммам из различных текущих условий без применения специальных микрокоманд перехода.

Структура ПЛМ позволяет анализировать большое количество входных переменных и увеличивать их число без увеличения накопительной матрицы. В зависимости от организации межсоединений шин в матрицах ПЛМ, как и ПЗУ, бывают программируемые в процессе изготовления, программируемые пользователем и перепрограммируемые. Программирование ПЛМ производится аналогично программированию ПЗУ.

контрольные вопросы

1. Для хранения какого вида информации обычно используется энергозависимая память?

2. Что называется временем доступа к памяти?

3. Какие типы ЗУ применяются для построения микропроцессорных вычислительных устройств?

4. Какие типы ОЗУ вы знаете и чем они отличаются друг от друга?

5. Какие типы ПЗУ вы знаете и чем они отличаются друг от друга?

6. Какие устройства представляют собой устройства на ПЗС и ЦМД:

а) с последовательным доступом; б) с произвольным доступом?

7. Чем отличаются функциональные схемы ОЗУ от функциональных схем ПЗУ?

8. Что такое горизонтальное наращивание памяти?

9. Что такое вертикальное наращивание памяти?

10. В чем преимущества и недостатки ПЛМ по сравнению с ПЗУ?

11. Каково назначение сигнала “.Выбор кристаллам в ИМС ОЗУ и ПЗУ?

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Спроектировать ОЗУ с организацией 1024 X 8 ячеек из модулей 256 X 4.

2. Спроектировать ПЗУ с организацией 4096 X 8 ячеек из модулей 1024 XI.