Элементная база запоминающих устройств

Большинство вычислительных систем до начала 70-х годов использовали память на основе ферритовых колец. Некоторые специальные вычислительные системы, особенно применяемые в космосе, где необходима радиационная стойкость, используют такую память до сих пор. Существенный недостаток такой памяти — очень большие габариты. Однако достоинством является энергонезависимость. В других вычислительных системах, в основном, применяется полупроводниковая память.

Элементной базой полупроводниковых ЗУ являются большие интегральные микросхемы (БИС) памяти. В настоящее время основной объем промышленного выпуска микросхем памяти составляют микросхемы оперативных ЗУ (ОЗУ) и постоянных ЗУ (ПЗУ). Отличие ОЗУ от ПЗУ состоит в том, что в ОЗУ можно записывать и считывать информацию, а в ПЗУ только считывать.

Микросхемы оперативных ЗУ (БИС ОЗУ) отличаются наиболее широкой номенклатурой среди микросхем памяти. Они выпускаются во всевозможных конструктивно-технологических вариантах емкостью от 16 бит до 16 М бит.

Интегральные ПЗУ выпускаются трех видов:

масочные ПЗУ (ROM), программируемые в процессе изготовления с помощью индивидуальных фотошаблонов (масок) по заказам потребителя;

однократно программируемые ПЗУ (ППЗУ, PROM), в которых запись информации производится потребителем путем избирательного нарушения однородности исходной матрицы ЭП импульсами электрического тока;

репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ, EPROM, EEPROM), в которых запись информации может изменяться неоднократно электрическим способом.

Свойства постоянных запоминающих устройств отражены в табл.4.1.

Таблица 4.1.

Полупроводниковые системы памяти

Основной составной частью микросхемы ОЗУ является массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может хранить один бит (0 или 1) информации. Каждый ЭП имеет свой адрес. Для обращения к ЭП необходимо его «выбрать» с помощью кода адреса, сигналы которого подводят к соответствующим выводам микросхемы.

Микросхемы ОЗУ по типу ЭП разделяют на статические (SRAM) и динамические (DRAM). В микросхемах статических ОЗУ в качестве ЭП применены статические триггеры на биполярных или МДП-транзисторах. Как известно, статический триггер способен при наличии напряжения питания сохранять свое состояние неограниченное время. Число состояний, в которых может находиться триггер, равно двум, что и позволяет использовать его для хранения двоичной единицы информации.

В микросхемах динамических ОЗУ элементы памяти выполнены на основе электрических конденсаторов, сформированных внутри полупроводникового кристалла. Такие ЭП не могут долгое время сохранять свое состояние, определяемое наличием или отсутствием электрического заряда, и поэтому нуждаются в периодическом восстановлении (регенерации). Микросхемы динамических ОЗУ отличаются от микросхем статических ОЗУ большей информационной емкостью, что обусловлено меньшим числом компонентов в одном ЭП и, следовательно, более плотным их размещением в полупроводниковом кристалле. Однако динамические ОЗУ сложнее в применении, поскольку нуждаются в организации принудительной регенерации и в усложнении устройства управления.

Микросхемы ПЗУ построены также по принципу матричной структуры накопителя. Функции ЭП в микросхемах ПЗУ выполняют перемычки в виде проводников, диодов или транзисторов межу шинами строк и столбцов в накопителе. В такой матрице наличие перемычки соответствует, например, 1, а ее отсутствие — 0. Микросхемы ПЗУ имеют словарную организацию, и поэтому информация считывается в форме многоразрядного кода, т. е. словом. Совокупность ЭП в матрице накопителя, в которой размещается слово, называют ячейкой памяти (ЯП). Число ЭП в ЯП определяет ее разрядность n. Каждая ЯП имеет свой адрес, и для обращения к определенной ЯП нужно подвести сигналы кода, соответствующего данной ячейке адреса. Число ячеек памяти равно 2m, а информационная емкость микросхемы — 2m n бит.

Занесение информации в микросхемы ПЗУ, т. е. их программирование, осуществляют, в основном, двумя способами. Один способ заключается в формировании в накопителе перемычек в местах пересечения строк и столбцов матрицы через маску на заключительной технологической стации изготовления микросхемы ПЗУ. Такие микросхемы ПЗУ называют масочными. Другой способ программирования микросхемы ПЗУ основан на пережигании легкоплавких перемычек в тех пересечениях шин строк и столбцов, куда должен быть записан 0 или 1, в зависимости от принятого кодирования. В исходном состоянии такая микросхема имеет в матрице перемычки во всех пересечениях строк и столбцов. Программирование осуществляет пользователь электрическими импульсами с помощью устройства для программирования, называемого программатором.

Рис. 4.2. Структура микросхемы ЗУ с одноразрядной организацией Микросхемы ПЗУ, масочные (ПЗУМ) и программируемые пользователем (ППЗУ), допускают однократное программирование, поскольку оно осуществляется формированием или разрушением соединений в матрице. Один из вариантов реализации ПЗУ ориентирован на программирование заданных логических функций. Такие ПЗУ называют программируемыми логическими матрицами (ПЛМ).

Существует разновидность микросхем ПЗУ, допускающая неоднократное перепрограммирование (репрограммирование). Элементом памяти в микросхемах репрограммируемых ПЗУ (РПЗУ) является МДП-транзистор, обладающий свойством переходить в состояние проводимости под воздействием импульса программирующего напряжения и сохранять это состояние длительное время (тысячи часов). Данный эффект обусловлен накоплением электрического заряда в подзатворном диэлектрике. Если на транзистор не воздействовать импульсом программирующего напряжения, то он сохранит закрытое для электрического тока состояние. Для стирания информации перед новым циклом программирования необходимо вытеснить накопленный под затвором заряд. В зависимости от способа выполнения этой операции микросхемы РПЗУ разделяют на два вида: со стиранием электрическим сигналом (РПЗУ-ЭС) и ультрафиолетовым светом (РПЗУ-УФ), которым полупроводниковый кристалл облучают через специальное окно в крышке корпуса. Микросхемы РПЗУ сохраняют информацию длительное время без питания, т. е. являются энергонезависимыми.

Рис. 4.3. Структура микросхемы ЗУ со словарной организацией Обратимся к рис. 4.2., на котором представлено условное изображение микросхемы статического ОЗУ К 561РУ 2. Число адресных входов, А 0-А 7 (А 0 -младший разряд) позволяет определять информационную емкость микросхемы: 28=256 бит. Наличие одного информационного входа DI и одного выхода DO (прямого и инверсного) указывает на одноразрядную организацию микросхемы памяти: 256×1 бит.

Для управления режимом работы предусмотрены два сигнала: CS (BM — выбор микросхемы) и WR (записьсчитывание). Управляющий вход CS является инверсным. Сигнал CS разрешает или запрещает обращение к микросхеме по информационным входу и выходу. Наличие на входе CS сигнала с уровнем логической 1 однозначно определяет режим хранения. При этом выход принимает высокоомное состояние, при котором он электрически отключен от приемника информации.

Для обращения к микросхеме для записи или считывания одного бита информации необходимо подать разрешающий сигнал CS с нулевым уровнем и сигнал WR с соответствующим режиму уровнем: при записи — 1, при считывании — 0. В любом режиме вход и выход развязаны, т. е. не могут влиять на состояние друг друга. Таким свойством обладают микросхемы с выходами на три состояния.

Учитывая отмеченную особенность, можно объединить вход и выход микросхемы и подключить их к общей информационной шине, по которой информация подается к микросхеме и выводится из нее.