Изучение принципов построения оперативных запоминающих устройств
Цель работы: Изучение основных принципов построения оперативных запоминающих устройств статического и динамического типов.
Введение:
Одним из ведущих направлений развития современной микроэлектроники элементной базы являются большие интегральные микросхемы памяти, которые служат основой для построения запоминающих устройств в аппаратуре различного назначения. Наиболее широкое применение эти микросхемы нашли в ЭВМ, в которых память представляет собой функциональную часть, предназначенную для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных. Комплекс механических средств, реализующих функцию памяти, называют запоминающим устройством. В лабораторной работе представлены програмно реализованные модели двух типов оперативных запоминающих устройств - статического и динамического.
Описание ЗУ:
Статическое запоминающее устройство.
Программная модель статического оперативного запоминающего устройства представляет традиционную структуру ЗУ с призвольной выборкой, состоящую из дешифраторов строк и столбцов и матрицы накопительных элементов. При выполнении работы имитируются режимы записи и чтения данных для любой ячейки памяти. Помимо общей структуры представлена схема отдельной ячейки памяти, представляющей собой триггер на КМДП-транзисторах, имеющих каналы разного типа проводимости: VT1, VT2 -каналы n-типа, VT3, VT4 -каналы p-типа. У триггера два парафазных совмещенных входа-выхода. Ключевыми транзисторами VT5, VT6 триггер соединен с разрядными шинами РШ1, РШ0, по которым подводятся к триггеру при записи и отводятся от него при считывании информации в парафазной форме представления: РШ1=D, РШ0=D(инверт.). Ключевые транзисторы затворами соединены с адресной шиной(строкой). При возбуждении строки сигналом выборки X=1, снимаемым с выхода джешифратора адреса строк, ключевые транзисторы открываются и подключают входы-выходы триггера к разрядным шинам. При отсутствии сигнала выборки строки, т.е. при X=0, ключевые транзисторы закрыты и триггер изолирован от зарядных шин. Таким образом реализуют в матрице режим обращения к ЭП для записи или считывания информации и режим хранения мнформеции.
Для сохранения информации в триггере необходим источник питания, т.е. триггер рассматриваемого типа является энергозависимым. При наличии питания триггер способен сохранять свое состояние сколь угодно долго. В одно из двух состояний, в которых может находиться триггер, его приводят сигналы, поступающие по разрядным шинам в режиме записи: при D=1(РШ1=1,РШ0=0) VT1, VT4,-открыты, VT2, VT3 -закрыты, при D=0(РШ1=0,РШ0=1)транзисторы свои состояния изменяют на обратные. В режиме считывания РШ находятся в высокоомном состоянии и принимают потенциалы плеч триггера, передавая их затем через устройство ввода-вывода на выход микросхемы DO, DO(инверт). При этом хранящаяся в триггере информация не разрушается.
Особенность КМДП-триггеров заключается в том, что в режиме хранения они потребляют незначительную мощность от источника питания, поскольку в любом состоянии триггера в той или другой его половине один транзистор, верхний или нижний, закрыт. В режиме обращения, когда переключаются элементы матрицы, дешифраторы и другие функциональные узлы микросхемы, уровень ее энергопотребления возрастает на два-три порядка.
Вместе со структурой ОЗУ, схемы запоминающей ячейки на экране представлены четыре типовые временные диаграммы работы статического запоминающего устройства, которые описывают циклы записи (слева) и считывания информации. В режиме записи на вход памяти вначале подаются сигналы адреса, сигнал записи W/R=1 и информационный сигнал D. Затем устанавливают сигнал CS(инверт.)с задержкой во времени tус.вм.а относительно сигналов адреса.
Длительность сигнала CS(инверт) определяют параметром tвм. Кроме того, указывают длительность паузы tвм(инверт.) в последовательности сигналов CS(инверт.), которую следует выдержать для восстановления потенциалов емкостных элементов схемы.
Сигналы адреса необходимо сохранить на время tсх.а.вм после снятия сигнала CS(инверт.). В течении всего цикла записи tц.зп выход микросхемы находится в высокоомном (третьем) состоянии.
В цикле считывания порядок подачи сигналов тот же, что при записи, но при условии W/R=0. Время появления сигнала на информационном выходе DO определяют параметрами tв.вм(время выбора) и tв.а (время выборки адреса), причем tв.а=tв.вм+tус.вм.а .
Запоминающая ячейка динамического ОЗУ.
В лабораторной работе изучается типичная ячейка динамического ОЗУ на трех транзисторах. В дополнение к этим трем транзисторам, необходимым для компоновки основной ячейки, вводится четвертый, используемый при предварительной зарядке выходной емкости Cr.Бит информации хранится в виде заряда емкости затвор-подложка (Cg). Для опроса ячейки подается импульс на линию предварительной зарядки и открывается транзистор T4. При этом выходная емкость Cr заряжается до уровня Ec и возбуждается линия выборки при считывании. В результате открывается транзистор T3, напряжение с которого подается T2. Если в ячейке хранится 0 (Cg разряжена), то T2 закрыт и на Cr сохранится заряд. Если же в ячейке содержится 1 (Cg заряжена), то транзистор T2 открыт и Cr разрядится. На выход поступает инвертируемое содержимое адресуемой ячейки.
Операция ЗАПИСЬ выполняется путем подачи соответствующего уровня напряжения на линию записи данных с последующей подачей импульса на линию выборки при записи. При этом транзистор T1 включен и Cg заряжается до потенциала линии записи данных.
Существуют различные схемные варианты реализации динамического ОЗУ. Во всех этих вариантах используется МОП-технология, поскольку для предотвращения быстрой зарядки емкости Cg необходимо высокое полное входное сопротивление. Однако и для случая МОПприборов необходима периодическая регенерация ячейки (подзарядка Cg). Период регенерации зависит от температуры и для современных приборов находится, как правило, в интервале 1-3 мс при температуре от 0 до 55С. Регенерация ячейки динамического ОЗУ выполняется путем считывания хранимого бита информации, передачи его на линию записи данных и последующей записи этого бита в ту же ячейку при помощи импульса, подаваемого на линию выборки при записи.
Вывод: Данная лабораторная работа проведена в соответствии с методическим указанием, представленным в виде текстового файла в приложении к обучающей программе. На данной лабораторной работе я изучил основные запоминающие устройства и разобрался с принципом их действия.