Лекция 17. Цифровые запоминающие устройства

Основные понятия и виды запоминающих устройств. Цифровые запоминаю­щие устройства предназначены для записи, хранения и выдачи информации, пред­ставленной в виде цифрового кода. Основными характеристиками запоминающих устройств являются: их информационная емкость, быстродействие и время хране­ния информации.

Классификацию цифровых запоминающих устройств можно выполнять по
ряду признаков:

· функциональному назначению;

· способу хранения информации;

· технологическому исполнению;

• способу обращения к массиву элементов памяти.

В основу технической классификации запоминающих устройств (ЗУ) положе­но их функциональное назначение. По функциональному назначению все виды ЗУ можно разделить на следующие группы:

• оперативные запоминающие устройства (ОЗУ, или RAM) — устройства
памяти цифровой информации, объединенные со схемами управления, обеспечивающими режимы записи, хранения и считывания цифровой (двоичной)
информации в процессе ее обработки;

• постоянные запоминающие устройства (ПЗУ, или ROM} — матрицы пассивных элементов памяти со схемами управления, предназначенные для
воспроизведения неизменной информации, заносимой в матрицу при из­готовлении ( в режиме хранения информации энергия не потребляется);

• программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или
PROM) — постоянные запоминающие устройства с возможностью одно­
кратного электрического программирования; они отличаются от ПЗУ тем,
что позволяют в процессе применения микросхемы однократно изменить
состояние запоминающей матрицы электрическим путем по заданной про­
грамме;

• репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ, или
EEPROM) — постоянные запоминающие устройства с возможностью мно­гократного электрического перепрограммирования; они отличаются от
ППЗУ тем, что допускают многократную электрическую запись информации, но число циклов записи и стирания ограничено (до 10⁴ циклов);

• репрограммируемые постоянные запоминающие устройства с ультрафиоле­товым стиранием и электрической записью информации (РПЗУ УФ, или
EPROM); они отличаются от РПЗУ только способом стирания информации
с помощью ультрафиолетового освещения, для чего в корпусе микросхемы
имеется специальное окно;

• ассоциативные запоминающие устройства (АЗУ, или САМ) — «безадресные» ЗУ, в которых поиск и выборка информации осуществляется по содер­жанию произвольного количества разрядов хранящихся в АЗУ чисел, не­
зависимо от физических координат ячеек памяти.

Перечисленный ряд запоминающих устройств не является исчерпывающим. Эта область электроники в настоящее время бурно развивается, и появляются новые разновидности ЗУ с иными принципами функционирования. Например, имеются программируемые логические матрицы (ПЛМ), отличающиеся от ППЗУ ограниченным набором входных сигналов. Также имеются РПЗУ, в которых допускается избирательное стирание информации в любом отдельном элементе памяти (EAROM).

По способу хранения информации ЗУ делятся на статические и динамические. Элементы памяти статических ЗУ представляют собой бистабильные ячейки, что определяет потенциальный характер управляющих сигналов и возможность чте­ния информации без ее разрушения.

В динамических ЗУ для хранения информации используются инерционные свой­ства реактивных элементов (например, конденсаторов), что требует периодического восстановления (регенерации) состояния элементов памяти в процессе хранения информации. В большинстве динамических ЗУ регенерация совмещается с обра­щением к элементам памяти. Для обеспечения синхронизации работы динамиче­ских ЗУ используются потенциально-импульсные сигналы управления.

Некоторые типы динамических ЗУ имеют встроенную систему регенерации и синхронизации. По внешним сигналам управления они не отличаются от пол­ностью статических ЗУ и поэтому их часто называют квазистатическими ЗУ.

Статические ЗУ бывают синхронными и асинхронными. Синхронные статические ЗУ имеют статический накопитель (матрицу элементов памяти) и динамические цепи управления, требующие синхронизации, аналогично динами­ческим ЗУ.

По технологии выполнения ЗУ можно разделить на следующие виды:

• полупроводниковые ЗУ на основе биполярных структур, использующие схемотехнику ТТЛ, ЭСЛ и др.;

• полупроводниковые ЗУ на основе полевых транзисторов с изолированным
затвором: р-МОП, n-МОП и КМОП;

• полупроводниковые ЗУ на основе приборов с зарядовой связью;

• магнитные ЗУ на основе цилиндрических магнитных доменов.

Следует отметить, что независимо от технологии изготовления ЗУ уровни их входных и выходных сигналов обычно приводятся к уровням стандартных серий элементов ТТЛ, ЭСЛ или КМОП. Для использования в РПЗУ разработаны специ­альные структуры:

• с лавинной инжекцией заряда и плавающим затвором (ЛИПЗ МОП), кото­рые применяются в РПЗУ УФ;

• со структурой металл — нитрид кремния — окисел кремния — полупровод­ник (МНОП), которые используются в РПЗУ с электрическим стиранием, в
том числе и с избирательным стиранием.

По способу обращения к массиву памяти все ЗУ делятся на адресные и без­адресные (ассоциативные). Большинство видов ЗУ относятся к адресным ЗУ, в которых обращение к элементам памяти производится по их физическим ко­ординатам, задаваемым внешним двоичным кодом-адресом. Адресные ЗУ бывают следующих типов:

• с произвольным обращением, которые допускают любой порядок следова­ния адресов;

• с последовательным обращением, в которых выборка элементов памяти возможна только в порядке возрастания или убывания адресов (обычно такие
ЗУ выполняются на регистрах сдвига).

Ассоциативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов: поиск и выборка информации в таких ЗУ осуществляется по ее содержанию и не зависит от физиче­ских координат элементов памяти.

Основные электрические параметры ЗУ. Все параметры ЗУ можно разделить на статические и динамические. Статические параметры ЗУ характеризуют его работу в установившемся режиме. Система статических параметров ЗУ представ­ляет собой совокупность некоторых контрольных точек его вольт-амперных характеристик.

Динамические параметры ЗУ определяются происходящими в нем временными процессами. Систему динамических параметров ЗУ составляет совокупность вре­менных переходов входных и выходных сигналов, соответствующих границам правильного функционирования ЗУ.

Кроме этого используются также специальные классификационные парамет­ры ЗУ, по которым выполняют их разделение по группам в соответствующих сериях ИМС ЗУ. В качестве классификационных параметров могут использовать­ся также некоторые статические и динамические параметры. В табл. 17.1 приведе­ны основные классификационные параметры ЗУ.

Статические параметры ЗУ можно разделить на общие, входные и выходные. В табл. 17.2 приведены некоторые статические параметры ЗУ. К динамическим па­раметрам относятся основные временные характеристики ЗУ, такие как время вы­бора микросхемы t_cs, время выбора адреса t_A, время выборки сигнала t_RD и некото­рые другие.

Статические ОЗУ. Структурная схема статического ОЗУ приведена на рис. 17.1. Основой статического ОЗУ является накопитель или матрица памяти, состоящая из отдельных запоминающих (бистабильных) ячеек. Обычно в качестве этих ячеек используются различного рода триггеры. Двоичная информация, запи­санная в такую ячейку, может сохраняться в этой ячейке до тех пор, пока не будет заменена другой или не будет снято напряжение питания.

Таблица 17.1