Примеры построения ЗУ на интегральных микросхемах (ИМС) разного типа

 

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдель­ные устройства, входящие в эту совокупность, называют запо­минающими устройствами или памятями того или иного типа.
Оба эти термина в настоящее время стали почти синонима­ми. Однако термин «запоминающее устройство» (ЗУ) обычно употребляют, когда речь идет о принципе построения некоторого устройства памяти (например, полупроводниковые ЗУ, ЗУ на магнитных дисках и т.д.), а термин «память» — когда хотят подчеркнуть выполняемую устройством памяти логическую фун­кцию или место расположения в составе оборудования ЭВМ (например, оперативная память, внешняя память и т.д.).
Производительность и вычислительные возможности ЭВМ в значительной степени определяются составом и характеристи­ками ее ЗУ. В составе ЭВМ используется одновременно несколь­ко типов ЗУ (несколько типов памятей), отличающихся прин­ципом действия, характеристиками и назначением.
0
0
Продолжительность обращения (время цикла) при записи Основными операциями в памяти в общем случае являются занесение информации в память — запись и выборка информации из памяти — считывание. Обе эти операции называются
обращением к памяти, или, подробнее, обращением при считывании и обращением при записи:            ****>«
При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой единицы данных — различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, байт, машинное слово или блок данных.
Важнейшими характеристиками отдельных устройств памя­ти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, удель­ная емкость, быстродействие.
Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Емкость измеряется в двоичных единицах (битах), машинных словах, но большей частью в байтах (1 байт = 8 бит), при этом часто емкость памяти выражают через число К=Ю24: Кбит (килобит), Кслов (кило­слов) или Кбайт (килобайт), при этом 1024 Кбайт обозначают как 1 Мбайт (мегабайт).
Удельная емкость есть отношение емкости ЗУ к его физиче­скому объему.
Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, т. е. временем, затрачиваемым на поиск нужной единицы информации в памяти и на ее считывание (время обращения при считывании), или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной едини­цы информации, и на ее запись в память (время обращения при записи).
Продолжительность обращения к памяти (время цикла па­мяти) при считывании
0
где f™^ — время доступа, определяющееся промежутком време­ни между моментом начала операции обращения при считыва­нии до момента, когда становится возможным доступ к данной единице информации; tC4m— продолжительность самого физиче­ского процесса считывания, т. е. процесса обнаружения и фикса­ции состояний соответствующих запоминающих элементов или участков поверхности носителя информации.
В некоторых устройствах памяти считывание информации сопровождается ее разрушением (стиранием). В таком слу­чае цикл обращения должен содержать операцию восста­новления (регенерации) считанной информации на прежнем месте в памяти.
0
В качестве продолжительности цикла обращения к памяти принимается величина
где *до"т — время доступа при записи, т. е. время от момента начала обращения при записи до момента, когда становится возможным доступ к запоминающим элементам (или участкам поверхности носителя), в которые производится запись; *подг — время подготовки, расходуемое на приведение в исходное состоя­ние запоминающих элементов или участков поверхности носителя информации для записи определенной единицы информации (например, байта или слова); t3an— время занесения инфор­мации, т. е. изменения состояния запоминающих элементов (участков поверхности носителя). Большей частью
В зависимости от реализуемых в памяти операций обраще­ния различают: а) память с произвольным обращением (воз­можны считывание и запись данных в память); б) память только для считывания информации («постоянная» или «односторон­няя»). Запись информации в постоянную память производится в процессе ее изготовления или настройки1.
По способу организации доступа различают устройства па­мяти с непосредственным (произвольным), с прямым (цикличе­ским) и последовательным доступами.
В памяти с непосредственным (произвольным) доступом время доступа, а поэтому и цикл обращения не зависят от места расположения участка памяти, с которого производится считы­вание или в который записывается информация. В большинстве случаев непосредственный доступ реализуется при помощи элек­тронных (полупроводниковых) ЗУ. В подобных памятях цикл обращения обычно составляет 1 мкс или всего несколько сотен или десятков наносекунд. Число разрядов, считываемых или записываемых в памяти с непосредственным доступом парал­лельно во времени за одну операцию обращения, называется В двух других типах памяти используются более медленные электромеханические процессы. В устройствах памяти с прямым доступом, к которым относятся устройства с магнитными бара­банами и дисками, благодаря непрерывному вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку но­сителя для считывания или записи циклически повторяется. В такой памяти время доступа составляет обычно от нескольких долей секунды до нескольких десятков миллисекунд.
В памяти с последовательным доступом производится по­следовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок носителя не займет некоторое исходное положе­ние. Характерным примером является ЗУ на магнитных лентах. Время доступа может в неблагоприятных случаях расположения информации достигнуть нескольких минут.
Запоминающие устройства различаются также по выпол­няемым в ЭВМ функциям, зависящим в частности, от места расположения ЗУ в структуре ЭВМ.
Требования к емкости и быстродействию памяти являются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть об­щей стоимости ЭВМ. Поэтому память ЭВМ организуется в виде иерархической структуры запоминающих устройств, обладаю­щих различными быстродействием и емкостью (рис. 4.1). В об­щем случае ЭВМ содержит сверхоперативную память (СОП)
0

или местную память, оперативную или основную память (ОП), память с прямым доступом на магнитных барабанах и на маг­нитных дисках, память с последовательным доступом на магнит­ных лентах. Порядок перечисления устройств соответствует убы­ванию их быстродействия и возрастанию емкости. Каждый уро­вень иерархии может содержать несколько экземпляров (моду­лей) соответствующих устройств для получения нужной емкости данного уровня памяти. На рис. 4.1 сплошными и штриховыми линиями показаны соответственно обычно и сравнительно редко реализуемые пути передачи данных между отдельными ступеня­ми иерархической памяти. Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в про­цессе обработки.
Оперативной или основной памятью (ОП) называют устрой­ство, которое служит для хранения информации (данных про­грамм, промежуточных и конечных результатов обработки), не­посредственно используемой в процессе выполнения операций в арифметическо-логическом устройстве и устройстве управле­ния процессора.
В процессе обработки информации осуществляется тесное взаимодействие процессора и ОП. Из ОП в процессор поступают команды программы и операнды, над которыми производятся предусмотренные командой операции, а из процессора в ОП на­правляются для хранения промежуточные и конечные результа­ты обработки.
Характеристики ОП непосредственно влияют на основные показатели ЭВМ и в первую очередь на скорость ее работы. Оперативная память высокопроизводительных ЭВМ имеет ем­кость несколько миллионов байт и цикл обращения около 0,5 мкс (и менее). Запоминающие устройства ОП, ранее выпол­нявшиеся на магнитных (ферритовых) сердечниках и тонких магнитных пленках, в настоящее время изготовляются на интег­ральных микросхемах с большой степенью интеграции (полупро­водниковые ЗУ).
В ряде случаев быстродействие ОП оказывается недоста­точным, и в состав машины приходится включать СОП (буфер­ную или кэш-память на несколько сотен или тысяч машинных слов с циклом обращения, составляющим несколько десятков наносекунд. Такие СОП выполняются на быстродействующих интегральных микросхемах. Быстродействие СОП должно со­ответствовать скорости работы арифметическо-логических и уп­равляющих устройств процессора. Сверхоперативная (буфер­ная) память используется для промежуточного хранения считы­ваемых процессором из ОП участков программы и групп данных, в качестве рабочих ячеек программы, индексных регистров, для хранения служебной информации, используемой при управлении вычислительным процессом. Она выполняет роль согласующего звена между быстродействующими логическими устройствами процессора и более медленной ОП (см. гл. 14).
В качестве ОП и СОП используются быстродействующие ЗУ с произвольным обращением и непосредственным доступом.
Понятие оперативной памяти выше определялось, исходя из выполняемых ею функций. Поскольку всегда в качестве ОП (как, впрочем, и СОП) используются ЗУ с произвольным обра­щением и непосредственным доступом, то часто последние неза­висимо от выполняемых функций называют оперативными памя­тями (оперативными ЗУ).
Обычно емкость ОП оказывается недостаточной для хране­ния всех необходимых данных в ЭВМ. Поэтому ЭВМ содержит в своем составе несколько ЗУ с прямым доступом на дисках (емкость одного ЗУ на дисках 10 — 300 Мбайт) и несколько ЗУ с последовательным доступом на магнитных лентах (емкость одного ЗУ 20—200 Мбайт).
Оперативная память вместе с СОП и некоторыми другими специализированными памятями процессора образуют внутрен­нюю память ЭВМ (рис. 4.1). Электромеханические ЗУ образуют внешнюю память ЭВМ, а сами они поэтому называются внешни­ми запоминающими устройствами (ВЗУ).
Современные ЭВМ содержат ряд специализированных быстродействующих памятей: памяти каналов, ключей защиты памяти, отдельных типов терминалов (дисплеев и др.), различ­ные буферные памяти для промежуточного хранения информа­ции при обмене ею между устройствами машины, работающими с различными скоростями. Наряду с этим используются также постоянные памяти, в основном для хранения микропрограмм, а в специализированных ЭВМ — и для хранения основных про­грамм.
Запоминающее устройство любого типа состоит из запо­минающего массива, хранящего информацию, и блоков, служа­щих для поиска в массиве, записи и считывания (а в ряде случа­ев и для регенерации) информации.
Адресная, ассоциативная и стековая организации памяти
Запоминающее устройство с произвольным обращением, как правило, содержит множество одинаковых запоминающих эле­ментов, образующих запоминающий массив (ЗМ). Массив разделен на отдельные ячейки; каждая из них предназначена для хранения двоичного кода, число разрядов в котором определяет­ся шириной выборки памяти (в частности, это может быть одно, половина или несколько машинных слов). Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве. По этому признаку различают адрес­ную, ассоциативную и стековую (магазинную) памяти.
Адресная память. В памяти с адресной организацией разме­щение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения слова (числа, команды и т. п.). Адресом служит номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается.
При записи (или считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес (номер ячейки), по которому производится запись (считывание).
Типичная структура адресной памяти, показанная на рис. 4.2, содержит запоминающий массив из N «-разрядных ячеек и его аппаратурное обрамление, включающее в себя ре­гистр адреса РгА, имеющий k(fe>logiV) разрядов, информа­ционный регистр РгИ, блок адресной выборки БАВ, блок усили­телей считывания БУС, блок разрядных усилителей-формирова­телей сигналов записи БУЗ и блок управления памятью БУП.
По коду адреса в РгА БАВ формирует в соответствующей ячейке памяти сигналы, позволяющие произвести в ячейке счи­тывание или запись слова.
Цикл обращения к памяти инициируется поступлением в БУП извне сигнала Обращение. Общая часть цикла обраще­ния включает в себя прием в РгА с шины адреса ША адреса

0

обращения и прием в БУП и расшифровку управляющего сигна­ла Операция, указывающего вид запрашиваемой операции (счи­тывание или запись).
Далее при считывании БАВ дешифрирует адрес, посылает сигналы считывания в заданную адресом ячейку ЗМ, при этом код записанного в ячейке слова считывается усилителями считы­вания БУС и передается в РгИ. Операция считывания заверша­ется выдачей слова из РгИ на выходную информационную шину ШИВых.
При записи помимо выполнения указанной выше общей части цикла обращения производится прием записываемого сло­ва с входной информационной шины ШИВх и РгИ. Затем в вы­бранную БАВ ячейку записывается слово из РгИ.
Блок управления БУП генерирует необходимые последова­тельности управляющих сигналов, инициирующих работу от­дельных узлов памяти. Цепи передачи управляющих сигналов показаны тонкими линиями на рис. 4.2.
Ассоциативная память. В памяти этого типа поиск нужной информации производится не по адресу, а по ее содержанию (по ассоциативному признаку). При этом поиск по ассоциативному признаку (или последовательно по отдельным разрядам этого признака) происходит параллельно во времени для всех ячеек запоминающего массива. Во многих случаях ассоциативный поиск позволяет существенно упростить и ускорить обработку данных. Это достигается за счет того, что в памяти этого типа операция считывания информации совмещена с выполнением
ряда логических операций.            т
0
Типичная структура ассоциативной памяти представлена на рис. 4.3. Запоминающий массив содержит N разрядных ячеек. Для указания занятости ячейки используется          служебный
tt-й разряд (0 — ячейка сво­бодна, 1 — в ячейке записано слово).
По входной информацион­ной шине ШИВх в регистр ас­социативного признака РгАП в разряды 0 Ч-п— 1 поступает «-разрядный ассоциативный запрос, а в регистр маски РгМ — код маски поиска, при этом n-разряд ггм устанавли­вается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокуп­ности разрядов РгАП, которым соответствуют 1 в РгМ (незамас­кированные разряды РгАП). Для слов, в которых цифры в разря­дах совпали с незамаскированными разрядами РгАП, комбина­ционная схема КС устанавливает 1 в соответствующие разряды регистра совпадения РгСв и 0 в остальные разряды. Таким обра­зом, значение /-го разряда в РгСв определяется выражением
0
где РгАП [i], РгМ [г] и ЗМ [/, г] — значения г'-ro разряда соответ­ственно РгАП, РгМ и ;'-й ячейки ЗМ.
Комбинационная схема формирования результата ассоциа­тивного обращения ФС формирует из слова, образовавшегося в РгСв, сигналы ссо, аь а2, соответствующие случаям отсутствия слов в ЗМ, удовлетворяющих ассоциативному признаку, и на­личия одного (и более) такого слова. Для этого ФС реализует следующие булевы функции:
0
Формирование содержимого РгСв и сигналов ао, cti, аг по содержимому РгАП, РгМ и ЗМ называется операцией контроля ассоциации. Эта операция является составной частью операций считывания и записи, хотя она имеет и самостоятельное значение.
При считывании сначала производится контроль ассоциации по ассоциативному признаку в РгАП. Затем при а0=1 считыва­ние отменяется из-за отсутствия искомой информации, при ос = = 1 считывается в РгИ найденное слово, при а2= 1 в РгИ считы­вается слово из ячейки, имеющей наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 у РгСв. Из РгИ считанное слово выдается на ШИВых.
При записи сначала отыскивается свободная ячейка. Для этого выполняется операция контроля ассоциации при РгАП — 111...10 и РгЛ4 = 00...01, при этом свободные ячейки отме­чаются 1 в РгСв. Для записи выбирается свободная ячейка с наименьшим номером. В нее записывается слово, поступившее с ШИВх в РгИ.
С помощью операции контроля ассоциации можно, не считы­вая слов из памяти, определить по содержимому РгСв, сколько в памяти слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку, например реализовать запросы типа сколько студентов в группе имеют отличную оценку по данной дисциплине. При использова­нии соответствующих комбинационных схем в ассоциативной памяти могут выполняться достаточно сложные логические опе­рации, такие, как поиск большего (меньшего) числа, поиск слов, заключенных в определенных границах, поиск максимального (минимального) числа и др.
Отметим, что для ассоциативной памяти необходимы запо­минающие элементы, допускающие считывание без разрушения записанной в них информации. Это связано с тем, что при ассо­циативном поиске считывание производится по всему ЗМ для всех незамаскированных разрядов и негде сохранять временно разрушаемую считыванием информацию.
Стековая память, так же как и ассоциативная, является безадресной. Стековую память (рис. 4.4) можно рассматривать как совокупность ячеек, образующих одномерный массив, в ко­тором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепя­ми передачи слов. Запись нового слова производится в верхнюю ячейку (ячейку 0), при этом все ранее записанные слова (вклю­чая слово, находившееся в ячейке 0), сдвигаются вниз, в со­седние ячейки с большими на 1 номерами. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки памяти, при этом, если производится считывание с удалением, все остальные слова в памяти сдвигаются вверх, в соседние ячейки с большими номе­рами. В этой памяти порядок считывания слов соответствует правилу: последним поступил первым обслуживается. В ряде устройств рассматриваемого типа предусматривается также опе­рация простого считывания слова из нулевой ячейки (без его удаления и сдвига слова в памяти). Иногда стековая память снабжается счетчиком стека СчСт, показывающим количество
0


занесенных в память слов. Сигнал СчСт = 0 соответствует пусто­му стеку, СчСт = Ы—1 —заполненному стеку.
Обычно стековую память организуют, используя адресную память. В этом случае счетчик стека, как правило, отсутствует, так как количество слов в памяти можно выявить по указателю стека (см. гл. 8). Широкое применение стековая память находит при обработке вложенных структур данных.
В последующих параграфах описываются различные типы ЗУ с адресной организацией. В гл. 8 рассмотрено использование стековой памяти при выполнении безадресных команд и пре­рываний, а в гл. 14 — ассоциативной памяти в аппаратуре дина­мического распределения ОП.
Структуры адресных ЗУ
Техника оперативных памятей прошла большой путь разви­тия. Большое значение имело появление в начале 50-х годов магнитных ЗУ, использующих в качестве запоминающего эле­мента (ЗЭ) ферритовые сердечники с прямоугольной петлей намагничивания. Магнитные ЗУ к настоящему времени вытесне­ны полупроводниковыми, в которых в качестве ЗЭ служат триг-герные схемы или МОП-транзисторы.
Тип используемых ЗЭ определенным образом влияет на структуру памяти, в результате чего существует большое разно­образие структур ЗУ. В настоящем параграфе дается системати­зация структур адресных ЗУ1, что должно помочь пониманию принципов действия различных типов ЗУ с произвольным обра­щением и постоянных ЗУ.
Совокупность определенным образом соединенных ЗЭ обра­зует запоминающую матрицу или запоминающий массив, где каждый ЗЭ хранит бит информации. Запоминающий элемент должен реализовать следующие режимы работы: хранение со­стояния, выдача сигнала состояния (считывание), запись 0 или запись 1. К ЗЭ должны поступать управляющие сигналы для задания режима работы, а также информационный сигнал при записи, а при считывании ЗЭ должен выдавать сигнал о его состоянии.
Запоминающий массив имеет систему адресных и разрядных линий (проводников). Адресные линии используются для вы­деления по адресу совокупности ЗЭ, которым устанавливается режим считывания или записи. Выделение отдельных разрядов осуществляется разрядными линиями, по которым передается

0
записываемая в ЗЭ информация или информация о состоянии ЗЭ.
Запоминающие устройства строятся из специфичных ЗЭ, для которых характерно использование троичных сигналов и совме­щение линий входных и выходных сигналов.
Адресные и разрядные линии носят общее название линий выборки. В зависимости от числа таких линий, соединенных с. одним ЗЭ, различают двух- и трехкоординатные ЗУ и т. д., называемые ЗУ типа 2D, 3D и т. д. (от английского dimention— размерность). Наибольшее распространение получили ЗУ типа 2D, 3D, 2,5Dи их модификации.
Запоминающие устройства типа 2D. Организация ЗУ типа 2D обеспечивает двухкоординатную выборку каждого ЗЭ ячейки памяти. Основу ЗУ составляет плоская матрица из ЗЭ, сгруппи­рованных в 2* ячеек по п разрядов. Обращение к ячейке за­дается ^-разрядным адресом, выделение разрядов производится разрядными линиями записи и считывания. Структура ЗУ типа 2D приведена на рис. 4.5.
Адрес (^-разрядный) выбираемой ячейки iпоступает на схему адресного формирователя АдрФ, управляемого сигналами чтения Чт и записи Зап. Основу АдрФ составляет дешифратор с выходами, который при поступлении на его входы адреса формирует сигнал для выборки линии i, при этом под воздействием сигналов Чт и Зап из АдрФ выдается сигнал, настраива­ющий ЗЭ i-й линии либо на считывание (выдачу сигнала со­стояния), либо на запись. Выделение разряда jв i-м слове про­изводится второй координатной линией. При записи по линии jот усилителя записи УсЗап поступает сигнал, устанавливаю­щий выбранный для записи 33;, в состояние 0 или 1. При считы­вании на усилитель считывания УсСч по линии / поступает сигнал о состоянии 3.9;,.
Используемые здесь ЗЭ должны допускать объединение вы­ходов для работы на общую линию с передачей сигналов только от выбранного ЗЭ. Такое свойство типично для современных ЗЭ и в дальнейшем всякий раз подразумевается.
Таким образом, каждая адресная линия выборки ячейки передает три значения сигнала: выборка при записи, выборка при считывании и отсутствие выборки. Каждая разрядная ли­ния записи передает в ЗЭ записываемый бит информации, а раз­рядная линия считывания — считываемый из ЗЭ бит информа­ции. Линии записи и считывания могут быть объединены в одну при использовании ЗЭ, допускающих соединение выхода со входом записи. Совмещение функций записи и считывания на разрядной линии широко используется в современных полупро­водниковых ЗУ.
Запоминающие устройства типа 2D являются быстродей­ствующими и достаточно удобными для реализации. Однако ЗУ типа 2D неэкономичны по объему оборудования из-за на­личия в них дешифратора с выходами. В настоящее время структура типа 2D используется в основном в ЗУ небольшой емкости.
Запоминающие устройства типа 3D. Некоторые ЗЭ имеют не один, а два конъюнктивных входа выборки. В этом случае адрес­ная выборка осуществляется только при одновременном появле­нии двух сигналов. Использование таких ЗЭ позволяет строить ЗУ с трехкоординатным выделением ЗЭ.
Запоминающий массив ЗУ типа 3D выполнен в виде про­странственной матрицы, составленной из п плоских матриц, представляющих собой ЗМ для отдельных разрядов ячеек памя­ти. Запоминающие элементы для разряда сгруппированы в квад­ратную матрицу из \2к рядов по ~\j2kЗЭ в каждом.
Структура матрицы /-го разряда в ЗУ типа 3D представлена на рис. 4.6. Для адресной выборки ЗЭ задаются две его коорди­наты в 3Mj. Код адреса i-й ячейки памяти разделяется на стар­шую и младшую части (i' и I"), каждая из которых поступает на свой адресный формирователь. Адресный формирователь АдрФ1 выдает сигнал выборки на линию ?, а АдрФ2 — на линию

0
0
i". В результате в 3Mjоказывается выбранным ЗЭ, находящий­ся на пересечении этих линий (двух координат), т. е. адресуемый кодом i=i'/i". Адресные формирователи управляются сигнала­ми Чт и Зап. и в зависимости от них выдают сигналы выборки для считывания или записи. При считывании сигнал о состоянии выбранного ЗЭ поступает по /'-й линии считывания к УсСч (третья координата ЗЭ). При записи в выбранный ЗЭ будут занесены 0 и 1 в зависимости от сигнала записи в /-и разряд, поступающего по /-й линии от УсЗап (третья координата ЗЭ при записи). Для полупроводниковых ЗУ, как отмечалось выше, характерно объединение в одну линию разрядных линий записи и считывания.
Для построения «-разрядной памяти используется п матриц рассмотренного вида. Адресные формирователи при этом могут быть общими для всех разрядных ЗМ.
Запоминающие устройства типа 3D более экономичны, чем ЗУ типа 2D. Действительно, сложность адресного формировате­ля с mвходами пропорциональна 2т. Поэтому сложность двух адресных формирователей ЗУ типа 3D, пропорциональная 2'2*/2, значительно меньше сложности адресного формирователя ЗУ типа 2D, пропорциональной 2*. В связи с этим структура типа 3D позволяет строить ЗУ большего объема, чем структура 2D. Однако ЗЭ с тремя входами, используемыми при записи, не всегда удается реализовать.
Запоминающие устройства типа 2.5D. В ЗУ этого типа при считывании состояния /-го разряда i-й ячейки положение ЗЭ(/-в ЗМ определяется тремя координатами (две координаты для


выборки и одна для выходного сигнала), а при записи в ЗЭ,, — двумя координатами. Считывание при этом осуществляется так же, как и в ЗУ типа 3D, а запись сходна с записью в ЗУ типа 2D.
Запоминающий массив ЗУ типа 2,5D можно рассматривать как состоящий из отдельных ЗМ для каждого разряда памяти: ЗМо, ЗМь • • •, ЗМ;,..., ЗМ..1. Структура одноразрядного ЗУ дана на рис. 4.7, а. Код адреса г'-й ячейки памяти, как и в ЗУ 3D, разделяется на две части: i' и i", каждая из которых отдельно дешифрируется. Адресный формирователь АдрФ выдает сигнал выборки на линию i', разрядно-адресный формирователь /-го разряда РАдрФ — на линию i". При считывании оба сигнала, являющиеся сигналами выборки для считывания, опрашивают ЗЭ, выходной сигнал которого поступает на УсСч разряда /. Ра­ботает ЗУ в этом случае так же, как и ЗУ типа 3D.
При записи АдрФ выдает сигнал выборки для записи, а РАдрФ выдает по линии I" сигнал записи 0 или 1 в зависимо­сти от назначения входного информационного сигнала /-го раз­ряда ВхИнФ,. На остальных линиях РАдрФ! не появляются сигналы записи, и состояния всех ЗЭ, кроме ЗЭ, лежащего на пересечении линий I' и i", не меняются.
Из ЗМ отдельных разрядов формируется ЗМ всего ЗУ со­гласно схеме на рис. 4.7, б.
Наиболее экономичным по расходу оборудования ЗУ оказы­вается в том случае, если число выходных линий АдрФ и всех РАдрФ равно, т.е. если r= (k— r) log2 п (рис. 4.7, б).
Недостатком ЗУ типа 2,5 D является то, что сигналы на линиях РАдрФ должны иметь четыре значения: чтение, запись О, запись 1 и отсутствие записи (хранение). Для ЗЭ с разрушаю­щим считыванием сигналы чтения и записи 0 совпадают и по­требуются лишь три значения сигнала. В связи с этим ЗУ типа 2,5D используется для ЗЭ с разрушающим считыванием.
Для построения современных полупроводниковых ЗУ из ЗЭ с неразрушающим считыванием используется структура ЗУ с двухкоординатным выделением ЗЭ и мультиплексированием выходных сигналов при считывании. Такие ЗУ будем называть ЗУ типа 2D-M.
Запоминающие устройства типа 2D-M. Запоминающие эле­менты таких ЗУ имеют два входа и один выход (рис. 4.8, а). При наличии хотя бы одного пустого сигнала ~ на входах ЗЭ при записи находится в режиме хранения (как в ЗУ 3D). Сигнал чтения Чт опрашивает состояние ЗЭ (так же как и в ЗУ типа 2D). Сигналы записи Зап и Зап О устанавливают ЗЭ в состояние О, а Зап и Зап1 — в состояние 1 (так же, как и в ЗУ типов 2D и 2,5D).
Обычно у запоминающих элементов ЗУ типа 2D-Mвыход
0
объединяется со входом записи, как это показано для ЗЭ на рис. 4,8, б. Структура одноразрядного ЗУ типа 2D-M представ­лена на рис. 4.8, в. Как и в ЗУ типа 2,5 D, код адреса г'-й ячейки разделяется на две части: i' и i", одна из которых поступает на АдрФ, а другая — на разрядно-адресный коммутатор РАдрК. Если на АдрФ и РАдрК не приходит сигнал обращения к памяти Обр, то на их выходных линиях не возникают действующие на ЗЭ сигналы и все ЗЭ находятся в режиме хранения. При на­личии сигнала Обр выполняется считывание или запись в за­висимости от значения сигнала Чт/Зап. При считывании АдрФ выдает по линии /' сигнал выборки для считывания, по которому со всех ЗЭ линии i' сигналы их состояний поступают на РАдрК. Коммутатор РАдрК мультиплексирует эти сигналы и передает на выход ИнфВых сигнал с линии i". При записи АдрФ выдает по линии i' сигнал выборки для записи. Коммутатор РАдрФК в зависимости от значения ИнфВх выдает сигнал записи 0 или 1 на линию i" и сигналы, не воздействующие на ЗЭ, в остальные линии. В результате запись производится только в ЗЭ, лежащий на пересечении координатных линий i' и i"', причем i'/i" = L
Построив схему, аналогичную схеме на рис. 4.7, б, получим ЗУ для п-разрядных ячеек. Наиболее экономична такая схема при r= (k— r) log2 п.
Структура типа 2D-Mнаиболее удобна для построения полу­проводниковых ЗУ и широко используется в настоящее время как в оперативных, так и в постоянных ЗУ.
Запоминающие устройства с произвольным обращением
В вычислительной технике в качестве ЗУ с произвольным обращени­ем, используемых в оперативных памятях ЭВМ, еще недавно широко применялись ЗУ с ЗЭ на ферритовых сердечниках. Успехи в технологии БИС привели к созданию полупроводниковых интегральных ЗУ, на основе которых создаются основные (оперативные) памяти современных ЭВМ.
По сравнению с ферритовыми ЗУ полупроводниковые имеют ряд важных достоинств: большее быстродействие, компактность, меньшую стоимость, совместимость по сигналам с логическими схемами, общие с другими электронными устройствами ЭВМ технологические и кон­структивные принципы построения.
Недостатком полупроводниковых ЗУ с произвольным обращением является их энергозависимость, выражающаяся в том, что они потреб­ляют энергию в режиме хранения информации и теряют информацию при выключении напряжения питания (потери информации можно избе­жать автоматическим переключением на аварийное питание от аккуму­ляторов) .
По типу ЗЭ различают биополярные ЗУ с биполярными транзисто­рами (с ТТЛ- или ЭСЛ-схемами) и МОП-ЗУ с МОП-транзисторами.
Биполярные ЗУ. В биполярных интегральных ЗУ в качестве ЗЭ используется статический триггер на двух многоэмиттерных транзисторах с непосредственными связями (рис. 4.9).

0
Эмиттеры // и 21 являются пара-фазными информационными входами ЗЭ и служат для записи в триггер 1 или 0. Эти же эмиттеры используют­ся как выходы при считывании информации. Адресные эмиттеры 12, 22, 13 и 23 образуют два конъюнктивно связанных входа вы­борки.
Организация ЗУ из тригге­ров осуществляется по схеме ти­па 3D.
В режиме хранения (ЗЭ не выб­ран) эмиттерный ток открытого транзистора замыкается на землю через адресные эмиттеры и адресные линии (или только через один такой эмиттер и одну линию), находящие­ся под потенциалом логического 0 (<0,4В). При этом информацион-


ные эмиттеры должны быть заперты, для чего на них подается потенциал (1 — 1,5В), который больше потенциала адресных эмиттеров (больше максимального значения уровня сигнала логического 0, равного 0,4 В, но меньше-минимального значения сигнала логической 1, составляющего 2,4 В), с тем чтобы при выборке ЗЭ через информационные эмиттеры протекали токи, необходимые для операций считывания и записи.
При выборке данного ЗЭ на его адресные эмиттеры с выходов адрес­ных дешифраторов подается потенциал логической 1 (^2,4 В), превы­шающий потенциал информационных эмиттеров. Поэтому адресные эмиттеры оказываются запертыми, а коллекторный ток открытого тран­зистора течет через его информационный эмиттер, чем обеспечивается возможность считывания из ЗЭ и записи в него информации.
Состояния 1 и 0 ЗЭ распознаются по наличию тока соответственно в разрядной линии 0 (открыт транзистор Т\) или в разрядной линии 1 (открыт транзистор Г2)-
Считывание происходит без разрушения информации. Хранимая в ЗЭ информация доступна для считывания все время, пока ЗЭ находит­ся в выбранном состоянии, и в него не производится запись (отсутствует импульс «разрешение записи»).
При считывании на входы обоих усилителей записи подается по­тенциал логического 0, в результате чего на выходах этих усилителей оказывается потенциал логической 1, запирающий усилители записи и тем самым предотвращающий ответвление в них тока считывания (тока информационного эмиттера).
При считывании ток вытекает из информационного эмиттера откры­того транзистора и втекает в базовую цепь входного транзистора со­ответствующего усилителя считывания, в результате чего выходной тран­зистор последнего полностью открывается.
Для записи в ЗЭ 1 или 0 с соответствующего усилителя записи на подключенный к нему информационный эмиттер подается потенциал логического 0 (^0,4 В), а на другой информационный эмиттер про­должает поступать с его невозбужденного усилителя записи потенциал, равный примерно 1,5 В.
Если допустим, производится запись 1 в триггер, находившийся перед этим в состоянии 1 (открыт транзистор Т%), то подача потенциала низкого уровня на эмиттер 21 не меняет состояние триггера. Если до записи триггер находился в состоянии 0, то при подаче потенциала низ­кого уровня на эмиттер 21 (запись 1) открывается транзистор Гг, при этом транзистор Т\ закрывается и триггер устанавливается в состояние 1.
Интегральная микросхема биполярного ЗУ представляет собой кристалл кремния, в котором образованы массив ЗЭ (триггеров) со всеми межсоединениями, а также адресные дешифраторы, усилите­ли-формирователи записи и считывания и другие схемы для управления адресной выборкой, записью и считыванием. Для повышения быстродей­ствия ЗУ эти обслуживающие схемы могут быть выполнены на основе ЭСЛ-элементов, работающих в линейной области, в то время как по­строенные на основе ТТЛ-элементов триггеры ЗЭ работают с насыщени­ем. В таком случае кристалл содержит схемы согласования уровней сигналов для перехода от схем ТТЛ к схемам ЭСЛ и обратно.
Полупроводниковые ЗУ размещаются в стандартных корпусах ин­тегральных микросхем. Число выводов ограничивают число слов и разря­дов запоминающего массива интегральной микросхемы. Для получения ЗУ с большим числом разрядов и (или) слов, чем в запоминающем масси­ве в корпусе схемы, применяются несколько корпусов.
В настоящее время биполярные ЗУ довольно дороги, поэтому они используются главным образом в качестве сверхоперативных памятей.
Динамические МОП-ЗУ сравнительно дешевы, потребляют неболь­шую мощность, позволяют достигнуть очень высокой плотности размеще­ния ЗЭ на кристалле и, следовательно, большей емкости в одном корпусе микросхемы. В настоящее время динамические МОП-ЗУ широко исполь­зуются для построения основной (оперативной) памяти ЭВМ.
В динамических ЗУ двоичные коды хранятся на «запоминающих емкостях», в качестве которых используются паразитные емкости не­которых цепей схем. Примем, что отсутствие заряда на запоминающей емкости означает состояние 0, а наличие — состояние 1. В таком случае считывание информации состоит в определении, заряжены или нет запо­минающие емкости.
Запоминающая емкость может неопределенно долго сохранять со­стояние 0 (разряд отсутствует), но только ограниченное время из-за утечки заряда — состояние 1. Поэтому в рассматриваемых ЗУ необходи­мо периодически (примерно через каждые 2 мс) производить восста­новление хранимой информации. Операция динамического восстановле­ния информации называется рефреш. Рассматриваемые ЗУ получили название динамических.
Схема и временные диаграммы работ ЗЭ динамического ЗУ на МОП-транзисторах в памяти со структурой 2D-Mпредставлены на рис. 4.10. Запоминающей емкостью служит паразитная емкость С за­твора транзистора Т%. Линия разрядно-адресного коммутатора Yисполь­зуется для ввода в ЗЭ бита информации при записи и съема его при считы­вании (см. рис. 4.8). Так как ЗЭ использует источник питания только при считывании, то им может служить паразитная емкость Су линии Y.
Предварительно перед считыванием от разрядно-адресного коммута­тора подается сигнал R, с помощью которого подготавливается считыва­ние с мультиплексированием для ЗЭ, выбираемых линией разрядно-ад­ресного формирователя. Сигнал Rоткрывает транзистор Г4, и емкость Су подзаряжается от источника. Затем на линию Xподается от адресно­го формирователя сигнал считывания — промежуточный уровень сигна­ла CWR, который открывает транзистор Гз, но не может открыть Гг. Если ЗЭ хранит 1, то конденсатор С заряжен и открыт транзистор Гг. В этом случае через открытые транзисторы Гз и Г2 конденсатор Су разряжается

0


0

и низкий уровень (уровень 0) сигнала Dна линии Yуказывает, что ЗЭ хранил инверсное значение, т.е. 1. Если ЗЭ хранит 0, то емкость С разряжена, Г2 закрыт и сигнал CWRне может вызвать разряд емкости Сг Высокий уровень сигнала D(уровень 1) указывает, что ЗЭ хранил 0. Далее сигнал Dчерез разрядно-адресный коммутатор поступает на выход ЗУ.
При записи на линию Yпоступает сигнал D, соответствующий за­писываемому двоичному знаку. Затем на линию Xподается высокий уровень сигнала CWR, открывающий транзистор Т\, который подключает к линии Yконденсатор С. В результате независимо от своего предыдуще­го состояния емкость оказывается заряженной, если записывается 1, и разряженной, если записывается 0.
В ЗУ периодически производится регенерация информации. При регенерации в ЗЭ записывается инверсное значение хранимого до считы­вания кода. После каждой четной регенерации — его инверсия. В ЗУ имеется схема, сигнал которой указывает, какой код хранить в данный момент ЗЭ — прямой или инверсный.
В настоящее время большие оперативные памяти ЭВМ выполняют главным образом на динамических МОП-ЗУ, небольшие ОП — на МОП-ЗУ и ТТЛ-ЗУ, а сверхоперативные и буферные памяти — на ЭСЛ-ЗУ и ТТЛ-ЗУ.
В табл. 4.1 приведены характерные параметры БИС для разных типов полупроводниковых ЗУ и указаны области их использования.
Постоянные ЗУ
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) в рабочем режиме ЭВМ допускают только считывание хранимой информации. В зависимо­сти от типа ПЗУ занесение в него информации производится в процессе или изготовления, или эксплуатации путем настройки, предваряющей использование ПЗУ в вычислительном процессе. В последнем случае ПЗУ называется постоянным запоминающим устройством с изменяемым в процессе эксплуатации содержимым или программируемыми посто­янными запоминающими устройствами (ППЗУ).
Постоянные запоминающие устройства обычно строятся как адрес­ные ЗУ. Функционирование ПЗУ можно рассматривать как выполнение однозначного преобразования ^-разрядного кода адреса ячейки запо­минающего массива (ЗМ) в n-разрядный код хранящегося в ней слова. При такой точке зрения ПЗУ можно считать преобразователем кодов или комбинационной схемой (автоматом без памяти) с kвходами и п вы­ходами.
По сравнению с ЗУ с произвольным обращением, допускающим как считывание, так и запись информации, конструкции ПЗУ значительно проще, их быстродействие и надежность выше, а стоимость ниже. Это объясняется большей простотой ЗЭ, отсутствием цепей для записи ин­формации вообще или по крайней мере для оперативной записи, реализа­цией неразрушающего считывания.
Одним из важнейших применений ПЗУ является хранение микро­программ в микропрограммных управляющих устройствах ЭВМ. Для этой цели необходимы ПЗУ значительно большего, чем в ОП, быстродей­ствия и умеренной емкости (10 000—100 000 бит).
Постоянные запоминающие устройства широко используются для хранения программ в специализированных ЭВМ, в том числе в микро-ЭВМ, предназначенных для решения определенного набора задач, для которых имеются отработанные алгоритмы и программы, например в бортовых ЭВМ самолетов, ракет и космических кораблей, в управляю­щих вычислительных комплексах, работающих в АСУ технологическими процессами. Такое применение ПЗУ позволяет существенно снизить требования к емкости ОП, повысить надежность и уменьшить стоимость вычислительной установки.
На рис. 4.11, а приведена схема простейшего ПЗУ со структурой типа 2D. Запоминающий массив образуется системой взаимно перпенди­кулярных линий, в их пересечениях устанавливаются ЗЭ, которые либо связывают (состояние 1), либо не связывают (состояние 0) между собой соответствующие горизонтальную и вертикальную линии. Поэтому часто ЗЭ и ПЗУ называют связывающими элементами. Для некоторых типов ЗЭ состояние 0 означает просто отсутствие запоминающего (связываю­щего) элемента в данной позиции в ЗМ.
Дешифратор Дш по коду адреса в РгА выбирает одну из горизон­тальных линий (одну из ячеек ЭВМ), в которую подается сигнал вы­борки. Выходной сигнал 1 появляется на тех вертикальных разрядных линиях, которые имеют связь с возбужденной адресной линией (на рис. 4.11,6 считывается слово 11010).
В зависимости от типа запоминающих (связывающих) элементов различают резисторные, емкостные, индуктивные (трансформаторные), полупроводниковые (интегральные) и другие ПЗУ.
В настоящее время наиболее распространенным типом являются полупроводниковые интегральные ПЗУ.
Полупроводниковые интегральные ПЗУ. Полупроводниковые ПЗУ имеют все те же достоинства, которые отмечались в предыдущем па­раграфе в отношении полупроводниковых ЗУ с произвольным обращени­ем. Более того, в отличие от последних они являются энергонезависимы­ми. Постоянные ЗУ имеют большую емкость на одном кристалле (в од­ном корпусе интегральной микросхемы).
Положительным свойством интегральных ПЗУ является то, что некоторые типы этих устройств позволяют самому потребителю произво­дить их программирование (занесение информации) в условиях эксплуа­тации и даже многократное перепрограммирование.
По типу ЗЭ, устанавливающих или разрывающих связь (контакт) между горизонтальными и вертикальными линиями, различают биполяр­ные и МОП-схемы ПЗУ. Биполярные ПЗУ имеют время выборки 30— 50 нс и емкость в одном кристалле (корпусе) от 256 бит до 16 Кбит. Постоянные маскируемые ЗУ на МОП-схемах имеют большую емкость в одном кристалле (корпусе) — до 64 Кбит и более, но и значительно меньшее быстродействие: время выборки 100—200 не.
По важнейшему признаку — способу занесения информации — реа­лизуют три типа интегральных полупроводниковых ПЗУ: 1) с програм­мированием в процессе изготовления путем нанесения при помощи фото­шаблонов в нужных потребителю точках контактных перемычек; 2) с программированием выжиганием перемычек или пробоем р-п-пере-ходов, с помощью которых сам потребитель уже после изготовления прибора может уничтожить или образовать связи между горизонтальны­ми и вертикальными линиями ЗМ (одноразовое программирование);
3)0

0

с электрическим перепрограммированием, при котором информация за­носится в ЗМ электрическим путем, а стирание информации, необходи­мое для изменения содержимого ПЗУ, выполняется воздействием на ЗМ ультрафиолетового излучения или электрическим путем (многократ­ное программирование).
Программируемые фотошаблонами и выжиганием ПЗУ могут стро­иться на основе как биполярных, так и МОП-схем. Перепрограммируе­мые ПЗУ используют только МОП-схемы, способные хранить заряды.
Различные типы ЗЭ интегральных ПЗУ представлены на рис. 4.12. На рис. 4.12, а показан биполярный транзисторный ЗЭ с выжигаемой пере­мычкой, соединяющий горизонтальную и вертикальную линии. При «про­граммировании» ПЗУ перемычки выжигаются в нужных местах серией импульсов тока с амплитудой 20—30 мА. При выборе адресным дешифра­тором горизонтальной линии х на базу транзистора ЗЭ поступает откры­вающий его сигнал, и при наличии перемычки (состояние 1) на вертикаль­ной линии у появится потенциал коллектора транзистора +5 В.
На рис. 4.12, б изображен ЗЭ, программируемый пробиванием p-n-перехода. В исходном состоянии включенные встречно диоды изоли­руют линии х и у (состояние 0). При подаче повышенного напряжения диод Diпробивается и закорачивается (состояние 1).
Более просто устроены ПЗУ с транзисторными и диодными запо­минающими (связывающими) элементами, программируемые при изго­товлении ПЗУ. В этом случае с помощью фотошаблонов в нужных по­зициях ЗМ наносятся или не наносятся контактные перемычки (вместо плавкой перемычки и вместо диода Ј>i на рис. 4.12, а и б соответственно).
На рис. 4.12, б представлен ЗЭ в виде лавинно-инжекционного МОП-транзистора с плавающим и селектирующим затворами. Интег­ральные ПЗУ на таких элементах допускают многократную замену хра­нимой информации.
' Плавающий (изолированный) затвор не имеет электрического под­вода, он предназначен Для хранения заряда. Селектирующий затвор подсоединен к одному из выходов дешифратора строк — горизонтальной линии, а сток — к вертикальной линии. В исходном состоянии отсутству­ет заряд на плавающем затворе (состояние 1), транзистор имеет очень небольшое пороговое напряжение. Выбор элемента осуществляется пу­тем подачи на селектирующий затвор выходного напряжения адресного дешифратора, при этом включается транзистор и через цепь сток — исток протекает значительный ток. Программирование (занесение 0 в эле­менты) производится подачей на сток импульса напряжения 25—50 В, при этом происходит инжекция электронов, имеющих высокую энергию, через оксид на изолированный затвор, получающий отрицательный за­ряд (состояние 0). В результате увеличивается пороговое напряжение, и подача на селектирующий затвор выходного напряжения дешифратора не включает этот транзистор.
Структура программируемого ПЗУ емкость 8 К (1 КХ8) бит на одном кристалле (в одном корпусе) изображена на рис. 4.13.
Рассматриваемое перепрограммируемое ПЗУ имеет структуру типа 2D-M. Запоминающий массив содержит 64 горизонтальных Xи 128 вер­тикальных Yлиний, на пересечении которых расположены МОП-транзи­сторы с плавающим и селектирующим затворами. Вертикальные линии разбиты на 8 групп по 16 в каждой. Число групп соответствует числу разрядов, хранимых в микросхеме (корпусе) слов. В качестве адресного формирователя используется дешифратор линий X, выдающий сигналы чтения. Разрядно-адресный коммутатор образован дешифратором линий Y, который управляет коммутирующими транзисторами, подсоединенными к разрядным усилителям считывания-записи.

0
При подаче младших разрядов адреса Л4—Л9 на дешифратор линий Xвыбирается одна из 64 горизонтальных линий, в результате чего управ­ляющий потенциал поступает на присоединенные к ней линии, селектиру­ющие затворы 128 ЗЭ. В каждой группе линий по коду старших разрядов адреса А0—Л3 мультиплексируются сигналы от выбранных ЗЭ и вы­деляется сигнал адресуемого ЗЭ. Разрядные усилители формируют его и через буфера входа-выхода выдают на выходы DaDiмикросхемы сигналы логических 0 и 1, соответствующие информации, находящейся в выбранной ячейке. При считывании информация в ячейке сохраняется

Рассматриваемое ПЗУ может работать в двух режимах: 1) считыва­ние хранимой информации и 2) программирование (запись) ПЗУ. Режим считывания устанавливается подачей сигнала выбора корпуса, который настраивает схемы буферов входа-выхода и разрядных усилителей на формирование и передачу на выходы Do—Diсигналов, считанных с ЗЭ.
Перед записью производится стирание информации воздействием ультрафиолетового света через окно в корпусе микросхемы на полупро­водниковый кристалл ПЗУ. Под воздействием света заряды стекают с затворов. После стирания все ЗЭ находятся в состоянии 1.
Режим записи осуществляется при одновременной подаче сигнала Запись и импульса Программирование. На входы корпуса Аа—Лд по­ступает адрес ячейки, в которую производится запись, а на выходы Do— D7 (в режиме записи ставшие входами) записываемое 8-разрядное слово. Сигнал Запись настраивает буфера входа-выхода и разрядные усилители на передачу информационных сигналов со входов Do—Djк стокам ЗЭ, при этом открываются усилители записи тех разрядов, в которых в записываемом слове находятся 0. Эти усилители пропускают в выбранные дешифратором линий У вертикальные линии импульс Про­граммирование (импульс +26 В), который обеспечивает лавинный про­бой и занесение отрицательного заряда в плавающие затворы (запись 0) только тех ЗЭ, селектирующие затворы которых присоединены к гори­зонтальной линии, возбужденной выходным сигналом дешифратора ли­ний X.
Рассматриваемое устройство имеет время выборки 0,4—1 мкс.

 
Оглавление


Сайт управляется системой uCoz