Лекция №4 Проектиране на сгис памети в компютърните системи архитектура, логически и схемотехнически характеристики

– постоянни памети - процесорът не може да записва в тях, докато изпълява програма; енергонезависими -read only memory (ROM, PROM, EEPROM, FLASH), наричани още Programmable Memory Devices ;

– памети с произволен достъп, в която процесорът чете и може да записва на всеки отделен адрес; енергозависими - random access memory (SRAM, DRAM);

В) По отношение на синхронизирането на операциите с тях:

- асинхронни памети – при подаване на нов адресен код на адресните линии (независимо кога във времето), операцията по четене се стартира;

- синхронни памети – операция по четене или запис се стартира след подаване на нов адресен код, като се изчака фронт (нарастващ, падащ или и двата) на синхронизиращ сигнал.
ІІ. Общ функционален и структурен модел на памет

Потребителски модел на памет - по-долу е показан блок памет, представляващ по същество едномерен масив от регистри за данни:

Предназначение на изобразените на горната схема сигнали:

WE - сигнал, предизвикващ операция за запис в паметта, (когато паметта е с възможнаст за запис в нея);

Съдържанието на всеки от регистрите още се нарича дума (word) от паметта.

Структурно, едномерният масив от регистри се представя структурно в блока памет като двумерен масив от тригери:

На горната схема са показани само линиите от схемата, необходими за извършване на операциите по четене на данни.

Сигналите sel_reg0, sel_reg1, … се активират от адреса за паметта; съответните им линии се наричат линии за избор на дума (word lines); при активиране на сигнала по една от тези линии той разрешава (извежда от високоимпедансно състояние) изходите на буферните схеми (означени с триъгълници), свързани към изходите на съответните тригери (FlipFlops), съдържащи данните за думата, които на схемата са на един ред.

Линиите b3, b2, b1, b0 приемат състоянията на тригерите от четения в момента регистър, т.е. на битовете от думата, затова ги наричат линии на битовете (bit lines).

В някои видове памети (напр. PROM), буферните схеми са заместени с диоди или (при по-модерните чипове) транзистори, формиращи по всяка от линиите bi логическа схема “и” (това е показано на схеми по-долу).
Схемите от паметта, които отговарят за запомнянето на един бит от една дума, се наричат запомнящи клетки (cells) на паметта (на горната схема всяка запомняща клетка включва тригер и буферна схема).

Сигналите по адресните линии избират съответната дума от паметта за операция върху нея (запис, четене) чрез дешифриране (декодиране):

Обикновено за блок памет декодирането е “двумерно” (two-dimensional decoding) , като това е подходящ начин за избор на дума в двумерна структура от запомнящи клетки (cell array) на паметта. Това е показано за две памети на следващата схема, като на схемата вляво организацията на паметта е 1.Кх1, а вдясно – 256х4.

При тези двумерни структури един ред от запомнящи клетки вече представя не една, а повече думи от паметта, като изборът между тях се осъществява от управлението на младши адресни линии чрез мултиплексери (те избират между сигналите от колоните на двумерната структура – column multiplexers). За паметта вляво мултиплексерът е един (колкото е дължината на думата на паметта) и е с организация 32х1, а за паметта вдясно – мултиплексерите са 4 (отново колкото е дължината на думата) и всеки един от тях е с организация 8х1.

ІІІ. Постоянни (енергонезависими) памети

Видове:

– памети, еднократно електрически конфигурирани чрез прегаряне на вътрешни съединения - PROM;

– памети, многократно електрически конфигурирани (програмирани), чието съдържание се изтрива с ултравиолетови лъчи - ЕPROM;

–памети, многократно електрически конфигурирани и изтривани(репрограмирани) – EEPROM; когато устройството за програмиране и изтриване (краен автомат) е включено конструктивно в паметта и не се изисква специален програматор – FLASH.

Функционално еквивалентна схема:

Според горната схема на входовете на буферните схеми схемно са установени сигнали за логическа нула или логическа единица според информацията, която трябва да бъде записана в съответните думи. В реалните памети от този тип, обаче, не се реализират буферни схеми за всяка запомняща клетка; вместо тях се използват диоди или транзистори.

На следващата схема е показна памет с двумерно декодиране, за която активирането (в “0”) от старшите адресни битове на ред от двумерната структура установява чрез диодите и резисторите също в “0” всички вертикални линии, които са свързани чрез диоди с този ред, тъй като отпушва тези диоди. Така например , ако в резултат на подаден на адресните входове адрес дешифраторът активира (в “0” ) реда с №4, то на входовете на мултиплексера за колоните с номера от 0 до 15 ще се прочете кодът : 111111011101000.


На следващата схема е показано използване на транзистори в паметите ROM (PROM). Активирането на ред от съответния изход на дешифратора (в “1”) отпушва транзисторите, чиито гейтове са свързани към този ред и тъй като конструктивно сорсовете им са свързани към земя, то дрейновете им (тоест колоните, към които са свързани, се установяват в “0”. Така например, ако вторият отгоре надолу ред е активен, то на показаните колони се установява кодът : 10...01.


Показаните по-горе две схеми илюстрират всъщност структурата на памети от тип ROM, в които диодите или транзисторите са реализирани фабрично (по фотохимична технология чрез фотомаски) в запомнящата матрица само в определени пресечни точки, съответстуващи на изискваното за паметта съдържание – “0” в определени разряди на определени думи.

Програмируемите еднократно по електрически път постоянни памети от тип PROM се произвеждат с диоди или транзистори във всички пресечни точки, като след това се програмират чрез записване еднократно на определено съдържание в тях с помощта на токови импулси, прекъсващи съединения от структурата им в специализирани устройства – програматори:

При програмиране, посредством пропускане на голям ток между сорса и дрейна, в плаващия гейт се захваща заряд, който променя праговото напрежение на транзистора. Повишеното прагово напрежение държи транзистора запушен. По този начин EPROM - транзисторът може да се използва като програмируем елемент, тъй като е включен (отпушен) или изключен (запушен) в зависимост от заряда на плаващия гейт. За извършване на репрограмиране е необходимо да се "изтрие" първоначално натрупания в плаващия гейт заряд. Това се осъществява при облъчване с ултравиолетова светлина, при което захванатите електрони преминават през гейтовия окис в подложката. При EEPROM (FLASH) - технологията механизмът е подобен, с изключение на това, че зарядът в EEPROM - транзистора може да се изтрива по електрически път.

На показаната по-долу схема на част от структурата на EEPROM (FLASH) – памет с OFF са означени запушените чрез заряд в плаващия гейт транзистори. При активиране на реда w1 например от адресния дешифратор, на колоните за битове b3, b2, b1, b0 се установява кодът(съдържанието на дума) 0110, а при активиране на реда w2 – 0101.


Блокова схема на постоянна памет:

Времедиаграми на сигналите при операциите по четене на данни от паметта:

- динамични – за да се съхранява съдържанието им, са необходими периодически операции по презапис (опресняване).

За да може да се записват данни в памет, линиите на битовете в структурата на паметта трябва да могат да се използват като двупосочни (в едната посока за запис на битовете, а в другата – за четенето им) – bidirectional wires. Записването на новите стойности на битовете в запомнящите клетки, които са с усложнена структура (добавя се и мултиплексер), се извършва под управлението на сигнала WE. На долната схема вътрешните за клетката сигнали WR_SELI и RD_SELI, когато някой от тях е активен по 1 (но не едновременно) и сигналът за избор на думата SELI е активен, предизвикват записа на състоянието на bit line и съответно четенето от съответната клетка и извеждане на състоянието й върху bit line.

Времедиаграми на сигналите при операция за запис в SRAM – памет:

Блокова схема на паметта, включваща и матрицата от запомнящи клетки:

Схема на запомнящата клетка на двупортова SRAM –памет:

При тези памети записаната информация се съхранява не в тригери, както е при статичните памети, а стойността на всеки бит се представя чрез напрежението на кондензатор в запомнящата клетка:

Тъй като кондензаторът се разрежда с времето заради оттичане на натрупаните в него електрически заряди, необходимо е периодически да се извършва опресняване (презареждане чрез операции по четене и запис на старото съдържание в клетките) – през интервал от 4 до 64 ms. Следващата диаграма показва как се повишава и спада напрежението на кондензатора във времето след операции по запис и опресняване.

Времедиаграми на сигналите за операция по опресняване на DRAM – памет (четене и запис по редове):

• DDR (Double data rate SDRAM) - използва и нарастващия и падащия фронт на синхронизиращия сигнал за извършване на операции с паметта и трансфер на данни (типично 100MHz clock с 200 MHz трансфер).

• RDRAM (Rambus DRAM) – извършва операции по четене, запис и трансфер на данни по блокове чрез бърз интерфейс (500 MB/s, 1.6 GB/s)


VІ. Най-чести приложения на паметите в компютърните системи:

– за съхраняване на данни и кодове на програми (data & program storage);

– като регистри с общо предназначение за данни и кодове (general purpose registers);

– за буфериране на пренасяни данни (data buffering);

– за съхраняване на таблици на истинност (table lookups);

– за имплементация на комбинационна логика (CL implementation);