Элементы схемотехники цифровых устройств обработки информации - [26]

6.3 Оперативные запоминающие устройства

6.3.1 Типы оперативных запоминающих устройств

В зависимости от способа хранения информации оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) подразделяются на статические и динамические. В статических ОЗУ (Static RAM — SRAM) запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие своё состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных.

В динамических ОЗУ (Dynamic RAM — DRAM) данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторов ведёт к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться. В то же время плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз превышает плотность упаковки достижимую в статических RAM.

Регенерация данных в статических ЗУ осуществляется с помощью специальных контроллеров. Разработаны также ЗУ с динамическими запоминающими элементами, имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, у которых внешнее поведение относительно управляющих сигналов становится аналогичным поведению статических ЗУ. Такие ЗУ называются квазистатическими.

В целом динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной ёмкостью и невысокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная память ЭВМ.

Статические ОЗУ делятся на асинхронные и тактируемые.

В асинхронных ЗУ сигналы управления могут задаваться как импульсами, так и уровнями. Например, сигнал разрешения работы   может оставаться неизменным и разрешающим на протяжении многих циклов обращения к памяти.

В тактируемых ЗУ некоторые сигналы обязательно должны быть импульсными. Например, сигнал разрешения работы   в каждом цикле обращения должен переходить из пассивного состояния в активное, то есть должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле. Асинхронные ЗУ могут использоваться в качестве тактируемых.

Статические ЗУ в 4…5 раз дороже динамических и приблизительно во столько же раз  меньше по информационной ёмкости. Их достоинством является высокое быстродействие. Область применения относительно дорогостоящих статических ОЗУ в системах обработки информации определяется именно их высоким быстродействием. Типичной областью применения статических ОЗУ в ЭВМ являются схемы КЭШ-памяти.

Запоминающими элементами статических ОЗУ служат триггеры с цепями установки и сброса. Триггеры можно реализовать по любой схемотехнологии (ТТЛШ, И²Л, n-МОП, КМОП и др.), в соответствии с которой разработаны разнообразные схемы ЗУ с различными параметрами.

6.3.2 Основные параметры ЗУ

Важнейшими параметрами ЗУ являются информационная ёмкость и быстродействие.

Информационная ёмкость — максимально возможный объём хранимой информации. Выражается в битах или словах (в частности, в байтах). Бит хранится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово — запоминающей ячейкой (ЗЯ), т.е. группой ЗЭ, к которой возможно лишь одновременное обращение.

Быстродействие (производительность) ЗУ оценивают временами записи, считывания и длительностями циклов записи/чтения.

Время записи — интервал после появления сигнала записи и установлением ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом.

Время считывания — интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ. Циклы записи и чтения — это время между двумя последовательностями записи или чтения. Длительности циклов могут превышать времена записи и чтения, так как после этих операций может потребоваться время для восстановления начального состояния ЗУ.

Кроме основных (эксплуатационных или измеряемых) параметров, ЗУ характеризуются рядом режимных параметров, обеспечение которых необходимо для нормального функционирования ЗУ. Поскольку ЗУ имеют несколько управляющих сигналов, то для них задаются не только длительности, но и взаимное положение во времени.

6.3.3 Внешняя организация и временные диаграммы статических ОЗУ

В номенклатуре статических ЗУ представлены микросхемы с одноразрядной и словарной организацией. Внешняя организация статического ЗУ ёмкостью 64 Кбита (8К×8) показана на рисунке 68.

Один из возможных наборов сигналов ЗУ.

Рисунок 68 Пример внешней организации статического ЗУ

A — адрес. Разрядность n определяется числом ячеек ЗУ, т.е. максимально возможным числом хранимых в ЗУ слов N=2ⁿ, а n=log₂N. Например, ЗУ с ёмкостью 8К слов имеет 13-разрядные адреса, выражаемые словами A=a₁₂a₁₁a₁₀…a₀, а с ёмкостью 64К слов — 16-разрядные адреса: A=a₁₅a₁₄a₁₃…a₀.

DI и DO — шины входных и выходных данных; m — их разрядность. В рассматриваемом примере DI и DO объединены в общую шину DIO.

CS — выбор кристалла разрешает или запрещает работу данной микросхемы.

R/W — чтение или запись. R/W=1 — «Чтение», R/W=0 — «Запись».

CE — Chip Enable — разрешение по выходу, пассивное состояние которого

 переводит выходы в третье состояние. Работа ЗУ отображается таблицей (таблица 9).

Таблица 9 Задание режимов работы микросхемы ЗУ

		R/W	A	DIO	Режим
1	X	X	X	Z	Хранение
0	X	0	A	DI	Запись
0	0	1	A	DO	Чтение

Рисунок 69 Временные диаграммы процессов

записи а) и чтения б) в статическом ЗУ

Функционирование ЗУ во времени регламентируется временными диаграммами, устанавливаемые изготовителями. В основу кладутся определённые требования. Например, чтобы исключить возможность обращения к другой ячейке, рекомендуется подавать адрес раньше, чем другие сигналы, с опережением на время его декодирования. Адрес должен держаться в течение всего цикла обращения к памяти.