Мікросхеми пам’яті ОЗУ та ПЗУ
Виробництво мікросхем з внутрішньою структурою повторюваної плоскої поверхні, мікросхеми пам'яті є ідеальним застосуванням для цього. З розвитком технології число бітів, яке можна вмістити в одній мікросхемі, постійно збільшується зазвичай у два рази кожні 18 місяців (закон Мура). З появою великих мікросхем маленькі мікросхеми не завжди старіють через компроміси між перевагами ємності, швидкості, потужності, ціни та сполучення. Зазвичай найбільші сучасні мікросхеми мають величезний попит і, отже, коштують набагато дорожче за 1 біт, ніж мікросхеми невеликого розміру.
При будь-якому обсязі пам'яті існує кілька різних способів орга-
Зробимо невелике зауваження щодо термінології. На одних висновках
висока напруга викликає якусь дію, на інших - низька напруга. Щоб уникнути плутанини, ми вживатимемо термін «встановити сигнал», коли викликається якась дія, замість говорити, що напруга підвищується чи знижується. Таким чином, для одних висновків установка сигналу означає установку на 1, а для інших - установку на 0. Назви висновків, які встановлюються на 0, зверху містять рису. Сигнал CS встановлюється на 1, а сигнал CS – на 0. Протилежний термін – «скинути».
А тепер повернемося до нашої мікросхеми. Оскільки зазвичай комп'ютер містить багато мікросхем пам'яті, потрібен сигнал вибору необхідної мікросхеми, такий, щоб потрібна нам мікросхема реагувала на виклик, інші ж немає.
Багато років тому найбільші мікросхеми пам'яті зазвичай були влаштовані
так, як показано на рис. 3.30, б. Оскільки слова виросли від 8 до 32 бітів і вище, використовувати такі мікросхеми стало незручно.Щоб з мікросхем 4096 Kxl побудувати пам'ять із 32-бітними словами, потрібно 32 мікросхеми, що працюють паралельно. Ці 32 мікросхеми мають загальний об'єм принаймні 16 Мбайт. Якщо використовувати мікросхеми 512 Кх8, потрібно всього 4 мікросхеми, але при цьому обсяг пам'яті буде становити 2 Мбайт. Щоб уникнути наявності 32 мікросхем, більшість виробників випускають сімейства мікросхем із довжиною слів 1,4, 8 та 16 бітів.
Всі види пам'яті, які ми розглядали досі, мають одну спільну властивість: у них можна записувати інформацію, і зчитувати її. Така пам'ять називається ОЗУ (оперативний пристрій). Існує два типи ОЗУ: статичне та динамічне. Статичне ОЗУ конструюється з допомогою D-тригеров. Інформація в ОЗУ зберігається протягом усього часу, доки до нього подається харчування: секунди, хвилини, годинник і навіть дні. Статична ОЗУ працює дуже швидко. Зазвичай час доступу становить кілька наносекунд. З цієї причини статична ОЗУ часто використовується як кеш-пам'ять другого рівня.
У динамічному ОЗУ, навпаки, тригери не застосовуються. Динамічне
ОЗУ є масив осередків, кожна з яких містить транзистор і крихітний конденсатор. Конденсатори можуть бути зарядженими та розрядженими, що дозволяє зберігати нулі та одиниці. Оскільки електричний заряд має тенденцію зникати, кожен біт у динамічному ОЗУ повинен оновлюватися (перезаряджатися) кожні кілька мілісекунд, щоб запобігти витоку даних. Оскільки про оновлення повинна дбати зовнішня логіка, динамічна ОЗУ потребує складнішого сполучення, ніж статична, хоча цей недолік компенсується великим обсягом.
Оскільки динамічному ОЗУ потрібен лише 1 транзистор та 1 конденсатор на біт (статичномуОЗУ потрібно у разі 6 транзисторів на біт), динамічне ОЗУ має дуже високу щільність записи (багато бітів однією мікросхему). Тому основна пам'ять майже завжди будується на основі динамічних ОЗУ. Однак динамічні ОЗП працюють дуже повільно (час доступу займає десятки наносекунд). Таким чином, поєднання кеш-пам'яті на основі статичного ОЗП та основної пам'яті на основі динамічного ОЗП поєднує в собі переваги обох пристроїв.
Існує кілька типів динамічних ОЗП. Найдавніший тип, кото-
FPM поступово заміщається EDO1 (Extended Data Output - пам'ять з розширенням
ними можливостями виведення), яка дозволяє звертатися до пам'яті ще до того, як закінчилося попереднє звернення. Такий конвеєрний режим не прискорює доступ до пам'яті, зате збільшує пропускну здатність, видаючи більше слів на секунду. І FPM і EDO є асинхронними. На відміну від них так звана синхронна динамічна ОЗП керується одним синхронізуючим сигналом. Даний пристрій є гібридом статичного і динамічного ОЗУ. Синхронна динамічна ОЗУ часто використовується при виробництві кеш-пам'яті великого обсягу. Можливо, дана технологія в майбутньому стане найбільшою.
кращою та у виготовленні основної пам'яті.
ОЗУ – не єдиний тип мікросхем пам'яті. У багатьох випадках дані
повинні зберігатися, навіть якщо живлення відключено (наприклад, якщо йдеться про іграшки, різні прилади та машини). Більше того, після встановлення ні програми, ні дані не повинні змінюватись. Ці вимоги призвели до появи ПЗП (постійних пристроїв), які не дозволяють змінювати і стирати інформацію, що зберігається в них (ні навмисне, ні випадково). Дані записуються в ПЗУ у процесівиробництва. Для цього виготовляється трафарет з певним набором бітів, який накладається на чутливий матеріал, а потім відкриті (або закриті) частини поверхні витравлюються.
Єдиний спосіб змінити програму в ПЗП – змінити цілу мікросхему. ПЗУ коштують набагато дешевше за ОЗУ, якщо замовляти їх великими партіями, щоб сплатити витрати на виготовлення трафарету. Однак вони не допускають змін після випуску з виробництва, а між поданням замовлення на ПЗП та його виконанням може пройти кілька тижнів. Щоб компаніям було простіше розробляти нові пристрої, що ґрунтуються на ПЗУ, були випущені програмовані ПЗУ. На відміну від звичайних ПЗП їх можна програмувати в умовах експлуатації, що дозволяє скоротити час виконання замовлення. Багато програмованих ПЗУ містять масив крихітних плавких перемичок. Можна перепалити певну перемичку, якщо вибрати потрібний рядок і стовпець, а потім прикласти високу напругу до певного висновку мікросхеми.
Наступна розробка цієї лінії - програмне ПЗУ, що стирається, яке можна не тільки програмувати в умовах експлуатації, але і прати з нього інформацію. Якщо кварцове вікно в цьому ПЗУ піддаватиме впливу сильного ультрафіолетового світла протягом 15 хвилин, всі біти встановляться на 1.
Якщо потрібно зробити багато змін під час одного етапу проектування, ПЗУ, що стираються, набагато економічніші, ніж звичайні програмовані ПЗУ, оскільки їх можна використовувати багаторазово. Стираються ПЗУ, що програмуються, зазвичай влаштовані так само, як статичні ОЗУ. Наприклад, мікросхема 27С040 має структуру, яка показана на рис. 3.30 а, а така структура типова для статичного ОЗУ.
Наступний етап - електронно-перепрограмоване ПЗП, з якого мож-
алепрати інформацію, додаючи до нього імпульси, і яке не потрібно для цього поміщати в спеціальну камеру, щоб піддати впливу ультрафіолетових променів. Крім того, щоб перепрограмувати даний пристрій, його не потрібно вставляти в спеціальний апарат для програмування, на відміну від програмованого ПЗУ, що стирається, але з іншого боку, найбільші електронно-перепрограмовані ПЗУ в 64 рази менше звичайних ПЗУ, що стираються, і працюють вони в два рази повільніше. Електронно-перепрограмовані ПЗУ не можуть конкурувати з динамічними та статичними ОЗУ, оскільки вони працюють у 10 разів повільніше, їх ємність у 100 разів менша, і вони коштують набагато дорожче. Вони
використовуються тільки в тих ситуаціях, коли необхідне збереження інформації під час вимкнення живлення.
Більш сучасний тип електронно-перепрограмованого ПЗП - флеш-пам'ять. На відміну від ПЗУ, що стирається, яке стирається під впливом ультрафіолетових променів, і від електронно-програмованого ПЗУ, яке стирається по байтах, флеш-пам'ять стирається і записується блоками. Як і будь-яке електронно-перепрограмоване ПЗУ, флеш-пам'ять можна прати, не виймаючи її з мікросхеми. Багато виробників виготовляють невеликі друковані плати, що містять десятки мегабайтів флеш-пам'яті. Вони використовуються для зберігання зображень у цифрових камерах та для інших цілей. Можливо, колись флеш-пам'ять витіснить диски, що буде грандіозним кроком вперед, враховуючи час доступу в 100 не. Основною технічною проблемою в даний момент є те, що флеш-пам'ять зношується після 10 000 стирань, а диски можуть служити роками незалежно від того, скільки разів вони перезаписувалися. Короткий опис
різних типів пам'яті наведено в табл. 3.2.
Лекція 8.Мікросхеми управління тасполучення.