Цифровая электроника

Общая характеристика полупроводниковых запоминающих устройств

Для хранения больших массивов информации предназначены запоминающие устройства (ЗУ), выполненные в виде БИС, в каждой из которых может храниться информация объемом в тысячи бит.

ЗУ, допускающее независимое обращение к любой ячейке памяти, называется памятью с произвольным доступом. Память с последовательным доступом допускает только последовательное обращение к ячейкам памяти. В последовательной форме хранится информация на магнитной ленте. Память на основе полупроводниковых микросхем является памятью с произвольным доступом.

По выполняемым функциям различают следующие типы полупроводниковых ЗУ:

• оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);
• постоянные запоминающие устройства (ПЗУ);
• перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).

ОЗУ предназначено для использования в условиях, когда необходимо выбирать и обновлять хранимую информацию. Вследствие этого в ОЗУ предусматриваются три режима работы: режим хранения при отсутствии обращения к ЗУ, режим чтения информации и режим записи новой информации. При этом в режимах чтения и записи ОЗУ должно функционировать с высоким быстродействием (время чтения или записи составляет доли микросекунды). В цифровых вычислительных устройствах ОЗУ используются для хранения промежуточных и конечных результатов обработки данных. При отключении источника питания информация в ОЗУ теряется. В условном графическом обозначении функция ОЗУ задается комбинацией символов «RAM» – random access memory (память с произвольным доступом).

В качестве элементной базы для построения ОЗУ могут быть использованы БИС ОЗУ как статического, так и динамического типов. В БИС статических ОЗУ (SRAM – static RAM) каждая запоминающая ячейка построена на основе триггера, состояние которого определяется значением (нуль или единица) хранимого бита данных. В БИС динамических ОЗУ (DRAM – dynamic RAM) ячейка памяти выполнена на основе конденсатора, а значение бита данных определяется наличием или отсутствием на нем заряда. Запоминающие ячейки в БИС динамических ОЗУ занимают значительно меньшую площадь, чем в статических. Поэтому при одинаковой технологии изготовления в одной БИС динамического ОЗУ удается разместить значительно больше элементов, чем в БИС статического ОЗУ. Соотношение количества ячеек БИС динамического ОЗУ к количеству ячеек БИС статического ОЗУ при равных объемах кристалла равно 16:1 и более, т.е. БИС динамической памяти имеет в 16 раз большую информационную емкость, чем БИС статической памяти. Стоимость хранения одного бита информации в БИС ОЗУ динамического типа также меньше, чем в БИС ОЗУ статического типа. Однако динамические ОЗУ требуют в процессе работы периодического восстановления заряда (регенерации) на запоминающих конденсаторах. Для построения узла регенерации требуется введение дополнительных микросхем, что может свести на нет преимущества БИС памяти динамического типа. Особенно это заметно, если требуемый объем памяти мал. Поэтому БИС динамических ОЗУ целесообразно использовать только при построении оперативной памяти с большой информационной емкостью.

ПЗУ предназначено для хранения некоторой однажды записанной в него информации, не нарушаемой и при отключении источника питания. В ПЗУ предусматриваются два режима работы: режим хранения и режим чтения. Режим записи не предусматривается. Используется ПЗУ для хранения программ или констант, с которыми цифровое устройство функционирует длительное время, многократно выполняя действия по одному и тому же алгоритму при различных исходных данных. В условном графическом обозначении в общем случае функция ПЗУ задается сочетанием символов «ROM» — read only memory (память только с функцией чтения).

ППЗУ (EPROM – Erase programmable ROM) в процессе функционирования цифрового устройства используется как ПЗУ. Оно отличается от ПЗУ тем, что допускает обновление однажды записанной информации, т. е. в нем предусмотрен режим записи. Однако в отличие от ОЗУ запись информации требует отключения ППЗУ от устройства, в котором оно функционирует, и производится с использованием специально предназначенных для записи устройств – программаторов. Кроме этого запись в ППЗУ занимает значительное время. ППЗУ дороже ПЗУ и их применяют в процессе отладки программного обеспечения цифрового вычислительного устройства, после чего их можно заменить более дешевыми ПЗУ.

ЗУ содержит некоторое число N ячеек памяти, в каждой из которых может храниться слово с определенным числом разрядов n. Ячейки последовательно нумеруются двоичными числами. Номер ячейки называется адресом. Если для представления адресов используют комбинации m-разрядного двоичного кода, то число ячеек памяти в ЗУ может составить N=2^m.

Количество информации, которое может храниться в ЗУ, определяет его емкость. Емкость M можно выразить числом ячеек N с указанием разрядности n хранимых в них слов в форме N×n, либо ее можно определять произведением N·n, т.е. M=N·n бит. Разрядность ячеек выбирают кратной байту (1 байт = 8 бит). Тогда и емкость удобно представлять в байтах. Большие значения емкости часто выражаются в единицах к=2¹⁰=1024, М=2²⁰=1048576 и Г=2³⁰=1073741824. Например, M=64кбайт определяет емкость равную M=64×1024байт=64×1024×8 бит.

Быстродействие ЗУ (время обращения) характеризуется двумя величинами:

• временем выборки t_в, представляющим собой интервал времени между моментом подачи сигнала выборки и появлением считываемых данных на выходе;
• циклом записи t_цз, определяемым минимально допустимым временем между моментом подачи сигнала выборки при записи и моментом, когда допустимо последующее обращение к памяти.

ЗУ строятся из набора однотипных микросхем ЗУ с определенным их соединением. Каждая микросхема ЗУ кроме времени обращения и емкости характеризуется потребляемой мощностью, набором питающих напряжений, током потребления. Микросхемы ППЗУ дополнительно характеризуются временем хранения записанной информации, по истечении которого хранящаяся в ячейках информация может самопроизвольно изменяться, а также допустимым количеством циклов перезаписи, после чего микросхема является негодной для использования.