Принципы построения ОЗУ

Общие сведения и классификация запоминающих устройств

Запоминающими устройствами (ЗУ) называют такие цифровые устройства, которые способны запомнить большой объем информации в двоичном коде, хранить и при необходимости воспроизвести ее. Для сравнения различных ЗУ между собой вводится система параметров. Основными параметрами являются информационная емкость, разрядность слова и быстродействие.

Информационная емкость определяется максимальным числом бит хранимой информации. Один бит информации представляет собой один разряд двоичного числа. На практике используются более крупные единицы измерения информационной емкости ЗУ: 1Кбит, 1Мбит, 1Гбит.

1Кбит = 2¹⁰ или 1024бит,

1Мбит = 2¹⁰ или 1024Кбит,

1Гбит = 2¹⁰ или 1024Мбит.

Часто за единицу хранимой информации принимается 1 байт. ЗУ с информационной емкостью в один байт представляет собой устройство, в котором может храниться 8-разрядная двоичная кодовая комбинация. Тогда кратные ей единицы будут: 1Кбайт, 1Мбайт, 1Гбайт.

Разрядность слова определяет организацию ЗУ. Обычно организация любого ЗУ определяется соотношением M´N, где М – число слов, которые могут храниться в данном ЗУ, а N – разрядность слова. Разрядность слова ЗУ является достаточно важной характеристикой. При равном количестве запоминаемых слов ЗУ с большей разрядностью слова имеет большую информационную емкость.

Быстродействие ЗУ определяет время записи или считывания информации. Это время также называют временем обращения к памяти, которое составляет десятки наносекунд.

ЗУ, используемые для организации памяти компьютера, делятся на два класса: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

ОЗУ предназначены для хранения изменяемой в процессе вычислений информации. Такие ЗУ позволяют в любой момент времени произвести запись или считывание информации, поэтому их называют оперативными ЗУ. По принципу действия различают два типа ОЗУ: динамические и статические. Статические ОЗУ (RAM) в качестве элемента памяти используют триггер на биполярных транзисторах. Они обладают хорошей помехоустойчивостью и высоким быстродействием. Однако из - за сложности запоминающего элемента не удается получить большой информационной емкости. Кроме того, они имеют сравнительно большое потребление энергии. Динамические ОЗУ (DRAM) выполняются по МОП – технологии, а в качестве запоминающего элемента используется емкость затвор – сток транзистора. За счет тока утечки эта емкость разряжается. В заряженном состоянии она может находиться в течении нескольких миллисекунд. К концу этого периода специальное устройство должно произвести подзаряд емкости, т.е. регенерацию информации. Так как процесс регенерации должен происходить постоянно во время хранения, то такие ОЗУ получили название динамических. Такие ОЗУ позволяют получить большую информационную емкость и имеют значительно меньшую потребляемую мощность. Однако управление динамическими ЗУ усложняется из - за невозможности доступа к хранимой информации во время регенерации.

Характерной особенностью как статических, так и динамических ОЗУ является то, что они требуют для своей работы источников питания, поэтому такие ЗУ еще называют энергозависимыми. При пропадании питания записанная в них информация разрушается.

ПЗУ предназначены для хранения неизменной информации: констант, программ начального запуска и тестирования компьютера и т.п. Такие ЗУ позволяют осуществлять только считывание записанной в них информации. В свою очередь ПЗУ делятся на масочные, программируемые и репрограммируемые.

ПЗУ масочного типа (ROM) программируются в процессе их изготовления. Записанная при изготовлении информация в последующем не может быть изменена.

Программируемые ПЗУ (PROM) изготовляются таким образом, чтобы каждый потребитель смог занести в них необходимую для него информацию с помощью специального устройства – программатора. Однако записанная информация уже не может быть изменена.

Репрограммируемые ПЗУ (EPROM) как и программируемые позволяют записать информацию, а при необходимости стереть ее и произвести перепрограммирование.

Важной особенностью всех ПЗУ являтся их энергонезависимость, т. е. Способность сохранить информацию при пропадании питания.

Упрощенная структурная схема данного ОЗУ приведена на рис. 1б. Схема содержит матрицу запоминающих элементов. В данном ЗУ запоминающий элемент представляет собой RS-триггер, собранный на двух биполярных транзисторах. Триггеры объединены в ячейки по четыре и напоминают чем-то параллельный четырехразрядный регистр.

Следующим элементом схемы ОЗУ является дешифратор, входами которого являются адресные входы ЗУ. Номер ячейки в двоичном коде или ее адрес преобразуется в сигнал 1 на одном из выходов дешифратора. Эта единица подается на соответствующую ячейку и активизирует ее. При этом прямые выходы триггеров и установочные входы каждого разряда подключаются к выходам матрицы.

Информационные входы рассматриваемого ЗУ могут подключаться к входам усилителей записи или к выходам усилителей считывания. В соответствии с управляющим сигналом на входе /RD устройство управления при = 0 осуществляет переключения усилителей для обеспечения выбранного режима работы.

При рассмотрении работы схемы ЗУ можно выделить следующие режимы работы: записи, хранения и считывания.

А) Режим записи. Для записи информации в выбранную ячейку памяти на адресные входы ЗУ А3 – А0 подается двоичная кодовая комбинация, соответствующая номеру (адресу) выбранной ячейки. В следующий момент времени на вход выбора кристалла и на вход выбора режима работы /RD подается 0. Под воздействием этих сигналов управляющее устройство подключает к информационным входам усилители записи, выходы которых соединяются с установочными входами триггеров выбранной ячейки памяти. После этого на информационные входы ЗУ подается кодовая комбинация, которую следует записать в ячейку памяти. Триггеры ячейки памяти под воздействием этой кодовой комбинации изменяют свои состояния в соответствии со значениями разрядов записываемого слова. После этого снимается код адреса ячейки, а на управляющие входы и /RD подается 1.На этом процесс записи информации заканчивается.

Б) Режим хранения. Для хранения записанной информации следует обеспечить на входе сигнал 1. Как было отмечено выше, при этом информационные входы ЗУ отключаются от матрицы запоминающих устройств. При этом подача любых адресов и изменения сигналов на информационных входах не приведут к изменению записанной информации, так как триггеры сколь угодно долго могут сохранять свое состояние в отсутствии управляющих сигналов, но только при условии, что питание на них подается постоянно. Даже при кратковременном пропадании питания информация разрушается, поскольку после включении питающего напряжения триггеры принимают произвольные состояния.

В) Режим считывания. Для считывания информации, записанной в ЗУ, на адресные входы А3 – А0 подается двоичный адрес ячейки, из которой требуется считать информацию. В следующий момент времени подается 0 на входи 1 – на вход /RD. Под воздействием данных управляющих сигналов к прямым выходам триггеров выбранной ячейки подключаются входы усилителей считывания, которые соединяются с информационными выходами D3 – D0 и информация с выходов триггеров через усилители считывания появляется на выходах ЗУ. Очевидно, что при таком считывании информация не разрушается, а поэтому процесс считывания может осуществляться многократно. Время, в течении которого на информационных выходах ЗУ сохраняется считанная информация определяется временем сохранения на входах адресных и управляющих сигналов, при снятии которых входы отключаются – на них устанавливаются нулевые потенциалы.