Лекции по ВМСС. Конспект лекций по курсу "Электронные вычислительные машины, системы и сети"

• Название: Конспект лекций по курсу "Электронные вычислительные машины, системы и сети"
• Дата: 14.02.2022
• Размер: 3.89 Mb.
• Имя файла: Лекции по ВМСС.doc
• Тип: Конспект; #361333
• страница: 20 из 24

Глава начинается с обсуждения общей организации памяти. В § 10.2 и 10 3 рассматриваю гся два вида полупроводниковых ЗУПВ — статические и дина­мические; § 10.4 посвящен проектированию резервного питания для энерго­зависимой памяти, наличие которого превращает ее в энергонезависимую;

§ 10.5 касается разнообразных видов ПЗУ.

10.1. ОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ

Память вычислительной системы обычно состоит из одной или нескольких печатных плат, которые подключены к системной шине. На каждой плате на­ходится модуль, адресуемый старшими битами шины адреса. Как показано на рис. 10. J, в большинстве систем имеются модули ПЗУ и ЗУПВ. Однако следует указать, что в малых системах типа контроллеров могут быть только ПЗУ, а сама память находится на той же печатной плате (и даже в одной и той же микросхеме), что и процессор.



Рис 101 Общая организация памяти



Рис 102 Типичный модуль памяти
Общий вид модуля памяти представлен на рис 102 В его состав входят интерфейс и набор микросхем памяти, каждая из которых содержит массив запоминающих элементов; запоминающий элемент может хранить 1 бит К элементам в микросхеме можно обращаться отдельно или группами, но в любом случае соблюдаются следующие отношения



I оворт чго микросхема памяти имеет организацию М х Л", если она со­держит М групп из N элементов, а модуль имеет организацию К х L, если он содержит К слов длиной / бит каждое Для иллюстрации введенных опреде­лении на рис 10 3 приведены несколько модулей, реализованных на основе типичных микросхем памяти

Важнейшими критериями при проектировании памяти являются сгои мость емко^гь быстродействие потребление энергии, надежность, энергояе-зависимость и возможности доступа

Стоимость модуля обычно складывается из двух компонент, одна из ко­торых не зависит oi размера модуля и называется накладными расходами, а вторая пропорциональна размеру и называется инкрементнои стоимостью Накладные расходы в основном связаны с электроникой обрамления, а ин-кременгная стоимость соотносится со стоимостью микросхем Обе компо­ненты зависят от числа контактных соединений и сложности печатной платы Следовательно, микросхемы с большей емкостью требуют меньше служеб­ных приборов и обеспечивают выигрыш в стоимости Так как накладные рас­ходы почти не зависят от емкости модуля, но должны учитываться в каждом модуле, предпочтительнее реализовать память заданной емкости, используя минимум модулей Еще одним фактором, учитываемым в накладных расхо­дах, является стоимость блока питания Чем меньше число напряжений пита­ния, тем менее сложной становится разработка блока питания и платы

Быстродействие памяти характеризуется временем обращения (или досту­па) , которое определяется как временной интервал от момента поступления



Рис 103 Типичные массивы микросхем памяти

стабильных оиналов адреса до получения рыходчык даннь \ Время oupduc ния зависит от mhoihx факторов и даже связано ^ емконют микросхемы Для быстродействующих транзисторов приходиия отводил» большую пло­щадь кристалла, что уменьшает чисто запоминающих элеманюв Кроме тою, быстродействующие микросхемы, коюрьк '•>lпьч ^роизвот.я^я iu бип» лярнои технологии, оказываются боле< дорогими v nq юемкими

Потребляемая энергия очень •ражш для уИ^гем когорые ин^Да дол/к ч. работать oi аккумуляторов или ^олрс ти\ элементов (например, и космь ческих объектах). Определяющим фактором для потребляемой каждым Jd" поминающим элементом энергии явпяется применяемая технология. Наибо­лее часто память с минимальным потреблением энергии производится по КМОП-технологии. Основной ее недостаток связан с увеличением тощади кристалла для каждого запоминающего элемента, что уменьшает емкое! ь микросхемы. К сожалению, потребляемая энергия и быс1ро действие связаны пропорциональной зависимостью, поэтому оптимизировагь оба п-и показате­ля сложно и дорого. Сейчас наиболее хороший компромисс между быстро­действием, потреблением энергии и емкостью обеспечивает высококачествен­ная МОП-технология

Поскольку надежность микросхем после их тщательною контроля до­вольно высока, надежность модуля сильно зависит от числа паяных соедине­ний и сложности платы. Следовательно, при уменьшении общего числа кон­тактов надежность модуля увеличивается, что дополнительно стимулирует минимизацию числа микросхем в модуле.

Энергонезависимость и возможности доступа во многом определяются условиями применения. Если применение не требует энергонезависимости, нет никаких причин обеспечивать ее. Когда же требуется энергонезависимое ЗУПВ, приходится использовать ферритовую память, а для полупроводнико­вой памяти вводить резервное питание По возможности следует как можно шире применять ПЗУ как наименее дорогие, энергонезависимые, надежные и помехоустойчивые устройства, обладающие высокой плотностью упаковки

10.2. СТАТИЧЕСКИЕ ЗУПВ

Основной запоминающий элемент на шести МОП-транзисторах, применяе­мый в статической памяти, показан на рис 104 Хранимая информация опре­деляется состояниями транзисторов Qi и Qs В этой транзисторной паре с пе­рекрестными связями один из транзисторов включен, а другой выключен. Состояние, когда Qa включен, a Q, выключен, представляет собой 1, а проти­воположное состояние - 0. Транзисторы Оз и Q4 выполняют функции рези­сторов, а транзисторы Qs и Q ь действуют как разрешающие вентили В опе­рации записи сначала производится выбор элемента посредством установки высокого уровня на линии выбора. При этом ipr чисторы Qs и Qe действу­ют как короткозамкнутые цепи, поэтому линия считывания/записи 1 под­ключается к затвору Qs, а линия считывания/записи О—к затвору Qi Для записи в элемент 1 на линии считывания/записи 1 устанавливается 1, а на ли­нии считывания/ записи О—О; это приводит к включению Qs и выключению



Рис. 104 Схема б-транзисторного запоминающего элемента статического ЗУПВ

Qi. Если же в элемент необходимо записать 0, на линиях считывания/записи . действуют противоположные сигналы. В любом случае установленные состоя­ния Qi и Оз не изменяются до следующей операции записи. Считывание из элемента производится просто подачей напряжения на линию выбора. При этом состояние Qi передается на линию считывания/записи 0, а состояние

03 — на линию считывания/записи 1.

Число запоминающих элементов и их организация в статической памяти варьируются в широких пределах. Диапазон размеров составляет от 256 х 4 до 16К х 1. ЗУПВ 254 х 4 состоит из 256 ячеек, каждая из которых имеет

4 бита, а ЗУПВ 16К х 1 обеспечивает 16К ячеек, каждая из которых содер­жит всего 1 бит Общая организация статического ЗУПВ 1К х 1 представлена на рис. 10.5. Запоминающие элементы организованы в матрицу из 32 строк и 32 столбцов. Биты адреса А9-АО разделены на адреса строк и столбцов, определяя одну из 1024 ячеек. Входы адреса строки А4-АО дешифрируются и выбирают одну из 32 строк запоминающих элементов. Входы адреса столб-



Рис 10 5 Структура микросхемы памяти с организацией 1К X 1

ца V' ^V че 7 )^-v ⁱ ti^iipar'i кдин »u ( ^ Cin г н' t'he и »-). ^ччц^яя vii ввода-вывода, сисгочщио из драйверов и усилю елей считывания Эти схемы позволяют вывеет хранимый 5ит в операции етишвщия и и^мслш ш l операции записи Вхо,п R/W (счить^вани^/зашчь) опре,-ц-^яеэ пт операции (высокий уровень при считывании и низкий гри записи) R\o„i p'np^ULHu/-криситша ^г? предназначен i ^ rt.i^opi с ур»г^твуюиг"м с ^ чг ми; р< <хем ч мо/ук намят

На pHt 106 показан модуль памяти 4К ^>- построенный рз микросхем 1К х 1 Если кристалч разрешен, выполняется операция считывания или запи­си в соответствии с уровнем сигнала R/W В противном случае сигнал R/W не распознается и выход переводится в высокоимпедансное состояние Это поз­воляет непосредственно соединять выходы нескольких микросхем, поэтому. применяя в столбцах микросхемы 1К х 1, можно реализовать модули 2К х 8 4К х 8 и т д., причем каждый столбец "вносит" один бит в байт данных Выводимый бш зависит не юлько от сигналов на линиях адреса, но и от то го, на какие микросхемы подается сигнал разрешения кристалла. Каждая строка в массиве подключена к линии разрешения строки, а всеми линиями разрешения кристалла управляют старшие биты адреса (в данном примере — линии All и А10). Когда строка выбрана, каждая микросхема в строке будет вводить или выводить бит в соответствии с сигналами на линиях А9-АО. Если адрес содержит 16 бит, линии А15-А12 выбирают модуль, All и А10 - стро­ку, а А9-АО - биты в микросхемах, образующие адресованный байт

Из-за сложности запоминающего элемента плотность упаковки статичес­кой памяти меньше, чем динамической памяти Кроме того, статическая па­мять потребляет больше энергии, так как в запоминающем элементе один из транзисторов всегда включен Основное достоинство статической памяти за­ключается в том, чю ее недужно регенерировать

Микросхемы полупроводниковой памяти легко объединять друг с дру­гом, так как они имеют встроенную электронику обрамления Однако вре­менные ограничения входных сигналов довольно критичны, а временные ха­рактеристики микросхем варьируются. Для обеспечения правильной работы логика управления на плате памяти должна формировать входы адреса и управляющие сигналы, соответствующие спецификациям применяемых ми­кросхем. Временная диаграмма входов в операции считывания отличается от диаграммы в операции записи

Наиболее важным временным параметром при выборе микросхем являет­ся время обращения Максимальная временная задержка от вх ща адреса до выхода данных больше задержки между разрешением кристалла и выходом данных, поэтому временем обращения обычно считается первый параметр Время обращения наиболее распространенных МОП-ЗУПВ изменяется от 50 до 500 не

В операции считывания после стабилизации выходных данных вход адреса нельзя сразу же снимать, чтобы запустить следующую операцию считывания Это объясняется тем, что перед следующей операцией прибору требуется не­которое время (называемое временем восстановления при с^итыелнии}. что-



Рис 10 6 Модуль 4К Х 8 на микросхемах памяти с организацией 1К Х 1



Рис 107 Временные диаграммы циклов обращения к памяти а — цикл считывания, б — цикл записи

бы закончить внутренние действия Сумма времени обращения и времени восстановления при считывании образует время цикла считывания Именно это время необходимо между запуском операции считывания и запуском сле­дующего цикла памяти Время цикла записи можно определить аналогично и оно может отличаться от времени цикла считывания На рис 107, а приве дена временная диаграмма цикла считывания из памяти Адрес подается в точке А, которая является началом цикла считывания, и должен сохраняться стабильным весь цикл Чтобы уменьшить время обращения, вход разрешения кристалла следует подавать до точки В Выходные данные становятся дей­ствительными после точки С и сохраняются такими, пока действуют входы адреса v разрешеч} я Kprici.uia На временной iiidi раммс с ютывания вход R^W не показан гю он должен иметь высокий вровень в течение всею ^икла

В типичном цикле записи показанном на рис 10 "⁷, о, кромь входов адрз-са и разрешения кристалла необходимо еще подать отрицате 1ьный имп/льс на линию R^W и запомиыемче инные В кчение всею лого iwio'a lamibie просто сохраняется стабильными О щако подача импульса записи имре^ JBd г<ригиччых временны> параметр! время уианотения alpcca и ширит и^* пульса записи Времч установления адреса jto время, необходимое шя ста билизации адреса, т е временной интервал, который должен пройти до пода­чи импульса записи На рис 107, б время установления адреса равно времен ном> интервалу между точками А и В Ширина импульса записи определяет продолжительность активною низкого уровня на входе записи Время цикла записи равно временному интервалу между точками 4 и D, оно представляет собой сумму времени установления адреса ширины импульса записи и в ре мени восстановления при записи В некоторых микросхемах допускаются ну­левые времена восстановления в обеих операциях

Важно отметить, что время обращения и время цикла являются минималь ными временными требованиями для самих микросхем Время обращения и время цикла во всей системе памяти значительно больше из-за задержек, вно­симых логикой управления вводом выводом, логикой системной шины и ло­гикой интерфейса памяти

На рис 108 представлен модуль статической памяти 16К х 8 для микро процессора 8088 в максимальном режиме Предполагается что входы CL и WE и линии D7-DO статическою ЗУПВ 4К х 8 имеют взаимосвязи, указанные в табл 10 1

Таблица 101

Сигналы в статическом ЗУПВ



Ьсли микросхема не выбрана (т е СЬ =1) она переходит в пассивное со­стояние, позволяющее работать с пониженным потреблением энергии

Шина адреса разделяется на две Ч1сти линии А1Ч-А14 применяются для выбора модуля, а линии А 13 А 12 подаются в логику разрешения кристалла, которая более подробно изображена на рис 10 9, а Она имеет че{ыре выхода СЕО СЕЗ, из которых в любой момент времени может быть активным только один Выход СЕО подключен на вход микросхемы, имеющей младшие 4К ад ресов, и активен, когда А 13 = А12 = 0 Аналогично сигнал СЕ1 активен, ког­да А13 = 0 и А12 = 1, СЕ2 активен при А13 = 1 и А12 = 0 и СЕЗ активен, ког­да А13 = А12 = 1 Во всех случаях на линии выбора модуля должен действо­вать сигнал 1, прежде чем формируется активным сигнал СЕ Сшнал на линии



Рис 10 8 Модуль памяти 16К X 8 для микропроцессора 8088 в максимальном режиме

выбора модуля активен только тогда, когда модуль выбран и распознается операция считывания или записи. Линии адреса А11-АО подаются на входы А11-АО всех микросхем памяти

В генератор импульса записи, построенный на двух одновибраторах, пода­ются сигнал MWTC и линия выбора модуля (см рис 109,


Рис 109 Вспомогательная логика для модуля памяти, показанною на рис 108 ,. а — логика разрешения кристалла, б — генератор импульса записи

тора подключен на входы разрешения записи WF всех микросхем памяти и вызывает загрузку данных с линий D7-DO в адресованный байт

Отметим, что в микросхемах на рис 10 6 имеются отдельные линии вход­ных и выходных данных, а в микросхемах на рис 10 8 линии данных являют­ся двунаправленными Внутри микросхемы необходимы отдельные линии для считывания и записи в запоминающие элементы, но можно разделить дву­направленные сигналы на сигналы считывания и записи в самом устройстве

10.3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗУПВ

Как и в статических ЗУПВ, память в кристаллах динамической памяти ор­ганизована в матрицу запоминающих элементов Простейший элемент дина­мического ЗУПВ состоит всего из одного транзистора и одного конденсатора (см рис 1010) Хранение в элементе 1 или 0 определяется наличием или от­сутствием заряда на конденсаторе В операции считывания на одной из ли-



Рис. 10.10. Типичный однотран­зисторный запоминающий эле­мент динамического ЗУПВ

или выбора строки уоапав^иваекя вис кий уровень посредством дешифрирован} адреса с1роки (младшие биты адреса). Си, над на этой линии включает ключевы транзисторы Q во всех элементах выбра' ной строки. При этом подключенный , каждому столицу усилитель регенерашь воспринимает уровень напряжения на сот ветствующем конденсаторе и интерпретиру­ет его как 0 или 1. Адрес столбца (старшие биты адреса) разрешает один элемент в выбранной строке на выход. Во время этих действий конденсаторы во всей строке раз­ряжаются. Чтобы сохранить информацию, усилители регенерации производят повтор­ную запись в элементы этой же строки Операция записи осуществляется аналотич-но, но в выбранном элементе запоминаются входные данные, а остальные элементы в выбранной строке просто регенерируются.

Из-за разряда конденсатора током утечки р-/2-перехода элементы динами­ческой памяти необходимо периодически считывать и восстанавливать -этот процесс называется регенерацией памяти. Скорость разряда увеличива­ется с повышением температуры и период регенерации составляет 1 . . ... 100 мс. При рабочей температуре +70°С типичное значение его 2 мс. Хотя строка элементов регенерируется в операции считывания или записи, случай­ность обращений к памяти не может гарантировать, что каждое слово в моду­ле памяти регенерируется с требуемым периодом 2 мс. Необходима периоди­ческая регенерация памяти с помощью специальных циклов.

В цикле регенерации в микросхемы подается адрес строки и выполняется операция считывания, чтобы восстановить выбранную строку запоминающих элементов. Однако этот цикл отличается от обычного цикла считывания сле­дующими моментами:

1. Входной адрес подается в микросхемы не с шины адреса, а от специаль­ного двоичного счетчика, называемого счетчиком адреса регенерации. В каж­дом цикле регенерации производится инкремент этого счетчика и он прохо­дит по всем адресам строк. Адрес столбца в регенерации не участвует, так как все элементы строки восстанавливаются одновременно.

2. В цикле регенерации разрешаются все микросхемы, поэтому она произ­водится одновременно во всех микросхемах модуля памяти. Такой прием сокращает число циклов регенерации. В обычном же цикле считывания разре­шена максимум одна строка микросхем.

3. Кроме входа разрешения кристалла динамическое ЗУПВ обычно имее! входной сигнал разрешения выхода данных. Эти два сигнала управления объе­диняются внутри микросхемы так, что выход данных переводится в высоко-импедансное состояние, если оба эти входа не активны. В цикле регенерации сигнал разрешения выхода данных имеег пассивный уровень. Это необходи­мо потому, что все микросхемы в одном и том же столбце оказываются выб­ранными, а их выходы данных соединены друг с другом. Во время обычного цикла считьюания выбрана только одна строка микросхем и сигналы разре­шения выхода данных всех строк имеют активный уровень.

Рассмотрим модуль памяти емкостью 16К байт, реализованный на динами­ческих ЗУПВ 4К х 1. Массив микросхем имеет 4 строки и 8 столбцов. Каж­дая микросхема содержит 64 строки и 64 столбца запоминающих элементов и имеет отдельные входы адреса строки (6 бит) и адреса столбца (6 бит). Предполагается, что входы разрешения кристалла и разрешения выхода обо-значеныТЕ hcs. Схема на рис. 10.11 показывает логику, необходимую для формирования сигналов разрешения кристалла и адреса регенерации. Сигнал цикла регенерации формируется синхрогенератором в модуле памяти. Если текущий цикл является циклом регенерации, мультиплексор выбирает адрес строки от счетчика адреса регенерации; в противном случае адрес строки бе­рется с шины адреса. Считая, что каждый элемент в микросхемах должен вос­станавливаться в течение 2 мс, найдем, что цикл регенерации необходимо инициировать через 2 х 10"³/64 = 31,25 мкс. В конце каждого цикла произ­водится инкремент двоичного счетчика на 1 и он показывает следующую строку, подлежащую регенерации. Во время этого цикла все микросхемы разрешены для выполнения операции считывания активными сигналами СЕ. Выходы данных переводятся в высокоимпедансное состояние пассивным уровнем сигнала разрешения выхода.

Кроме необходимости введения логики регенерации, главным недостат­ком динамических ЗУПВ является то, что во время цикла регенерации в модуле нельзя инициировать обычные операции считывания и записи до окончания этого цикла. В результате для удовлетворения запроса считывания или записи может потребоваться вдвое больше времени, если начат цикл ре­генерации. Если время цикла равно 400 не (для всех циклов памяти - реге­нерации, считывания и записи), на регенерацию затрачивается



времени памяти.

Однако динамические ЗУПВ привлекают разработчиков памяти (особен­но большой емкости) по нескольким причинам, основными из которых яв­ляются:

высокая плотность упаковки. В статических ЗУПВ запоминающий элемент состоит из шести МОП-транзисторов, а в динамических — из трех, двух и да­же одного транзистора. В результате можно увеличить число элементов на кристалле и сократить число микросхем, необходимых для построения моду­ля. Емкость микросхем динамических ЗУПВ составляет 16Кх 1, 64К х 1 и более;

малое потребление энергии. Удельное потребление энергии в динамичес­ких ЗУПВ гораздо меньше, чем в статических ЗУПВ: менее 0,05 и 0,2 мВт/бит соответственно. Это позволяет уменьшить мощность, потребляемую систе-





мои и kAiir-rJ^i mo( ?- Кр-»м^ ця itVTr амишскик ЗУПВ гребустся исключительно мало энергии р пднивном режиме что делает и< привлека тельр^ми у" рСсЦ^^ацил ^^sc^ ^ p^^i ^viOn памяти с резервным питанием,

экономичность Улечьная стоимош динамических ЗУПВ чиже стоимости стагических ЗУПВ Очнакс пиналдиир^кие ЗУПВ требуют бояьые вспомога тельных ^хем поэтому при рея гизации .гамяти небочьшой емкости они дают незрачитртьлыи экономический эффект или говеем не дают его

В ^УПВ бо ibidon емкости адрес ^гюки ^ апр^с столбца обычно разделяют одни и те же контакты, что сокращает число контактов корпуса микросхемы Некоторые микросхемы памяти содержат логику управления регенерации, а также логику управления контактами адреса строки/столбца Фирма Inte¹ выпустила ^онтрочпер динамических ЗУПВ 8203 который рассчитан на ми-



Рис 1012 Вхо-щые и выо щые линии микрос\ем 2164 (а) и8203 (б">

кросхемы памяти 2117, 2118 и 2164 Далее рассматривается применение кон троллера 8203 с микросхемами 2164, имеющими организацию 64К х 1. Сиг­налы приборов 8203 и 2164 приведены на рис. 10 12. (Контроллер 8203 мо­жет работать в двух режимах в зависимости от уровня на входе 16К/64К, показаны назначения контактов только для режима 64К.) Микросхема 2164 имеет четыре матрицы 128 х 128 запоминающих элементов и всего восемь входов адреса А7-АО. Это означает, что адреса строки и столбца должны раз делять одни и те же контакты и приниматься друг за другом Адрес строки стробируется отрицательным импульсом на входе RAS, а адрес столбца -отрицательным импульсом на входе CAS (в это время RAS сохраняется ну­левым) . Старшие биты адреса строки и адреса столбца определяют одну из четырех матриц запоминающих элементов. В цикле регенерации вход адреса А7 не используется и все четыре матрицы работают одновременно. Таким образом, за 128 циклов осуществляется регенерация всей микросхемы.

Временные диаграммы циклов считывания, записи и (только) регенера­ции изображены на рис. 10.13. В цикле считывания сигнал WE должен быть пассивным до подачи импульса CAS и оставаться пассивным до окончания импульса CAS. После стробирования адреса столбца формируется высокий уровень сигнала RAS и при сигналах RAS = 1 и CAS = 0 на линии DOUT появляется бит данных. В цикле записи сигнал DIN необходимо подать к мо­менту, когда сигнал CAS переводится на низкий уровень, но после того, как на входе WE устанавливается низкий уровень. Запись выполняется по входу DIN, когда RAS = СА^ == WE == О В цикле записи линия DOUT находится в высокоимпедансном состоянии. В цикле регенерации стробируется только адрес строки, а сигнал CAS остается пассивным. Линия DOUT находится в высокоимпедансном состоянии.

Контроллер 8203 формирует сигналы, временная диаграмма которых удовлетворяет требованиям микросхемы 2164. На линиях OUT7-OUTO дей­ствуют адреса строк и столбцов в правильной последовательности, линии RAS1-RASO несут стробы адреса строки для двух банков микросхем 2164, а по линиям CAS и WE во все микросхемы памяти в модуле подаются сигна­лы строба адреса столбца и расширения записи. (Отметим, что контроллер 8203 выдает адреса инвертированными; это обстоятельство не вызывает ни­каких проблем.)

Вход выбора банка ВО определяет один из двух активных сигналов RAS Линии AL7-ALO используются для генерирования адреса строки, а линии АН7-АНО — для генерирования адреса столбца. Обычно циклы регенерации формирует сам контроллер 8203, но вход REFRQ позволяет инициировать циклы регенерации от внешнего источника. Выбор модуля осуществляется по входу PCS. Он называется входом защищенного выбора кристалла, по­скольку, как только он станет активным, цикл памяти аннулировать нельзя, даже если сигнал PCS сразу же переходит в пассивное состояние Входы RD и WR определяют в памяти операцию считывания или записи.

Выход ХАСК представляет собой строб, показывающий, что данные до­ступны в цикле считывания, или что данные записаны в цикле записи. Его



Рис. 10 13 Временные диаграммы работы микросхем) т 2164

можно использовать для стробирования данных в регистры-защелки и для выдачи в процессор сигнала готовности. Выход SACK сигнализирует о начале цикла обращения к памяти и, если при запросе памяти происходит цикл ре­генерации, сигнал SACK задерживается до начала цикла считывания или запи­си. Если известно, что быстродействие микросхем памяти недостаточно вели­ко, чтобы гарантировать окончание цикла считывания к концу такта Тд или



окончание цикла записи к конц) такта Т4, выход SACK используется как сигнал готовности вместо выхода ХАС К. При этом экономятся такты ожида­ния при использовании сигнала ХАС К

На входы ХО и XI подключается осциллятор либо на вход CLK подается внешний сигнал синхронизации (ОР2 подключается при этом к напряжению +12 В} Эюг сшнал можно взять с линии синхронизации шины либо от гене­ратора в модуле памяти Основным питанием служит напряжение +5 В, но для ОР2 необходимо еще напряжение +12 В (Мы не рассматриваем исполь­зование входа REFRQ для опережающего считывания и цикл считывания-мо­дификации-записи.)

На рис 10.14 показана организация модуля памяти 25 6К байт, содержаще­го контроллер 8203 и 32 микросхемы 2164. Модуль рассчитан на микропро­цессор 8086 в максимальном режиме и шину MULTIBUS. Предполагается, что в этой разработке шины адреса и данных инвертированы, поэтому для ин­терфейса с ними применяются микросхемы 8283 и 8287 вместо "обычных" микросхем 8282 и 8286. Массив микросхем имеет 16 столбцов, что допуска­ет обращения к словам. При этом необходимо, чтобы в определении записи только младшего байта, только старшего байта или всего слова участвовали сигналы ВНЕ и АО с линий шины и сигнал WE.

Еще один способ уменьшения числа обслуживающих микросхем в динами­ческих ЗУПВ заключается в том, чтобы разместить логику регенерации в каждой микросхеме, чтобы она регенерировала сама себя. Такая микросхе­ма называется интегрированным ЗУПВ и за исключением того, что обраще­ния к памяти иногда задерживаются из-за циклов регенерации, она представ­ляется для пользователя статическим ЗУПВ. Примером такого подхода слу­жит интегрированное ЗУПВ 2186/7 фирмы Intel, имеющее организацию 8К х 8. Разводка контактов этой микросхемы характерна для статических ЗУПВ; в частности, она имеет входы ОЕ, WE и "СЕ с тем же назначением.

10.4. РЕЗЕРВНОЕ ПИТАНИЕ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПАМЯТИ

Один из главных недостатков применения МОП-ЗУПВ в основной памяти t связан с тем, что хранимая информация исчезает даже при кратковременных сбоях питания. Этот недостаток устраняется обеспечением резервного источ­ника питания, который работает при отказе основного источника. По сообра­жениям стоимости от неисправности питания защищается только часть си­стемы памяти. При отказе источника питания состояние и важные данные выполняемой программы запоминаются в модулях энергонезависимой памя­ти; после восстановления его наличие этой информации позволяет продол­жить выполнение программы.

Некоторые МОП-ЗУПВ в режиме пассивного хранения потребляют намно­го меньше энергии по сравнению с обычным режимом работы, когда память выполняет операции записи и считывания. Для уменьшения потребляемой энергии от резервного источника питания модуль памяти переводится в пас­сивный режим, в котором все микросхемы запрещены и просто сохраняют



Рис 1015 С ит.ма потания с резервным аккум^тором

информацию. Ьллоларя такой возможносги в качестве резервною источил ка питания МОП-памяти применяются аккумуляторы

На рис 10.15 показан блок питания с аккумуляторным резервом. При нормальной работе пшание подается от блока питания, который прообразу ет сетевое переменное напряжение в сгабилизированное постоянное, поддср живаемое на уровне V^ Выходное напряжение аккумулятора меньше обыч­ного у(^, поэтому диод D1 смещен в прямом направлении, а диод D2 - в об­ратном. При отказе основного источника питания конденсатор разряжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет напряжения аккумулятора В эгот момент диод D2 смещается в прямом направлении и пигание в памягь подается от аккумулятора. После воссгановления основного источника диод D2 запирается, а аккумулятор подзаряжается. Часто для коммутации пита­ния между основным источником и аккумулятором применяется схема с ре­ле. Она работает так, что при нормальной работе питание поступает о г основ­ного источника, а при его отказе — от аккумулятора Реле управляет схема обнаружения отказа питания.

Тип и число аккумуляторов для резервного питания определяют следую щие факторы

ток, потребляемый модулями памяш;

характерно 1ики разряда аккумулятора;

размер, масса и сгоимоггь аккумуляторов,

максимальный временной интервал питания памяги oi резервною источ­ника

Так как модуль памяти состоит из массива микросхем памяти и )лектро-ники обрамления, общий разрядный ток



где N,„ - число микросхем памяти; Р - энергия, потребляемая каждой ми­кросхемой; Ру энергия, погребляемая электроникой обрамления, V на­пряжение питания

Требуемый ток оказывается значительно меньше, если при отказе источ­ника питания память переводится в пассивный режим. Потребляемую энер­гию можно уменьшить также, применяя в интерфейсе и схеме управления КМОП-схемы.

Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах при конкретном разряд­ном токе Однако значение в ампер-часах уменьшается при увеличении раз­рядного тока. Время защиты, обеспечиваемое резервным источником пита­ния, равно отношению ампер-часов к разрядному току при условии, что ток не превышает допустимого значения. Пусть аккумулятор имеет емкость 3,2 А • ч при разрядном токе 1 А, а модуль памяти потребляет 0,8 А. Тогда аккумулятор может питать модуль памяти минимум в течение 4 ч, а при па­раллельном включении трех аккумуляторов это время возрастает до 12 ч.

Желательно, чтобы при разряде выходное напряжение не изменялось. Это­му критерию удовлетворяют заряжаемые и незаряжаемые аккумуляторы. К незаряжаемым относятся ртутные и серебряно-окисные аккумуляторы, имеющие достаточную емкость при малых размерах. К широко распростра­ненным заряжаемым аккумуляторам относятся никель-кадмиевые и евин-цово-калышевые. Хотя они значительно больше и тяжелее большинства ак­кумуляторов, в некоторых применениях важную роль играет возможность их подзарядки от основного источника питания.

10.5. ПОСТОЯННЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Содержимое ПЗУ после его записи изменить невозможно, по крайней мере без специального оборудования. Плотность упаковки ПЗУ выше, чем в ЗУПВ, благодаря более простой схеме запоминающего элемента (не требуется трак­та записи). ПЗУ являются энергонезависимыми и имеют высокую надеж­ность. Но, разумеется, их можно использовать только там, где не требуется запись. Как отмечалось во введении к данной главе, в большинство систем , памяти входят ПЗУ и ЗУПВ, причем модули ПЗУ применяются для хранения, I например, настраивающего загрузчика и таблиц фиксированных данных. | Иногда в ПЗУ хранят монитор и другие компоненты операционной системы ^ (при этом устраняется необходимость иметь настраивающий загрузчик). На-? конец, в ПЗУ можно хранить даже интерпретаторы языков.

Имеются четыре основных типа ПЗУ, различающиеся способом записи их содержимого. Задание содержимого ПЗУ иногда называется программиро­ванием, но, конечно, его нельзя путать с обычным пониманием программиро­вания. В одном из типов ПЗУ содержимое определяется операцией маскиро­вания в процессе изготовления кристалла. Их содержимое пользователь из­менить не может и именно они и называются ПЗУ. Содержимое ПЗУ второго ; типа пользователь может задавать сам, имея для этого специальное оборудо­вание, - программируемые постоянные запоминающие устройства (ШТЗУ). JsKaK и в маскированных ПЗУ, их содержимое после программирования изме-Апъ нельзя. ПЗУ третьего и четвертого типов пользователь может не только = программировать, но и при наличии специального оборудования стирать и



Рис 10 16 Постоянное запоминающее устройство 4К Х 8

репрограммировать много раз. Они называются стираемыми ППЗУ (СППЗУ) и электрически изменяемыми ПЗУ (ЭИПЗУ).

Так как маскированные ПЗУ требуют изготовления маски (фотошабло­на) для заданного содержимого или программы, первое ПЗУ оказывается до­рогим, но дополнительные копии гораздо дешевле. Микросхема ПЗУ имее! входы адреса, выходы данных и вход выбора кристалла. На рис. 1016 пока­зан модуль памяти 4К х 8, построенный из двух ПЗУ с организацией 2К х 8 Конечно, кроме показанных схем, в нем потребуются дешифратор выбора модуля, приемопередатчики и регистры-защелки.

Обычно ППЗУ имею! в своей основе диодную матрицу Они программиру­ются посредством выбора внешними входами диодных связей, которые "пе-режигаюгся" или "расплавляются", что приводит к фиксированному про­граммированию диодной матрицы. Единицы представлены сохранившимися диодными связями, а нули разрушенными Так как микросхемы ПЗУ для всех заказчиков одинаковы, их стоимость не зависит oi их числа, но они го­раздо сложнее и дороже именно из-за программируемое ш Следовательно, при небольшом числе микросхем ППЗУ дешевле маскируемых ПЗУ, но если требуется большое число ПЗУ, дешевле использовать маскируемые. Поэтому на этапе макетирования применяются ППЗУ (или СППЗУ), а в массовой про­дукции маскируемые.

ППЗУ программируются бит за битом посредством задания адреса содер­жащей бит ячейки на входах адреса и подачи тока в выходную линию дан­ных; при этом подаются импульсы по линии питающего напряжения и соог-ветствующих управляющих входов. Значение тока, амплитуда и продолжи­тельность импульсов, а также способ подачи их зависят от типа микросхемы. Обычно циклы программирования чередуются с циклами контроля и продол­жительность чередования в два раза больше времени, необходимого для про­граммирования бита.

В отличие от ППЗУ, в которых содержимое программируется раз и навсег­да путем "пережигания" диодных связей, содержимое СППЗУ определяется распределением заряда. СППЗУ программируются путем инжекции заряда и после программирования распределение заряда сохраняется до тех пор, по­ка не будет нарушено каким-либо внешним источником энергии, например ультрафиолетовым светом. Вместо заключения кристалла в светонепроница­емый корпус, как это делается в ос1альных микросхемах, СППЗУ имеют над кристаллом кварцевое окно, через которое проходит внешняя энергия. При экспозиции памяти от внешнего источника энергии в течение нескольких ми­нут (10 ... 50 мин в зависимости от гипа микросхемы) заряды перераспре­деляются в их естественное состояние, стирая старое содержимое памяти ^; После этого СППЗУ можно программировать вновь.

: Как и ППЗУ, СППЗУ обычно применяют на этапе разработки изделия, а в | серийной продукции заменяют маскированными ПЗУ. Благодаря возможно­сти стирания ими можно пользоваться несколько раз Однако в отличие от ; ППЗУ их содержимое может исчезать, поэтому СППЗУ не рекомендуется " встраивать в изделия, рассчитанные на длительную эксплуатацию. Продолжи­тельность сохранения содержимого зависит от условий окружающей среды и варьируется от нескольких месяцев до нескольких лет.

Программируется СППЗУ посредством подачи адреса на адресные входы, ; а также высоких или низких уровней напряжения на все выходы данных;

«после этого на входы питания и управления подаются необходимые импуль-

(сы. Например, при программировании СППЗУ 2764 с организацией 8К х 8 (фирмы Intel) на вход Vpp подается напряжение 21 В, а на вход СЕ низкий Уровень напряжения. Одновременно адрес программируемого байта подает-|ся -на входы А12-АО, а баЙ1 данных на контакты 07-00. Затем байт данных ' записывается в адресуемый &ат подачей импульса напряжения +5 В на вход

PGM. После записи необходимо содержимое каждого oauia проконтроли­ровать.

Микросхемы ППЗУ и СППЗУ, выпускаемые даже одной фирмой, имекл различные спецификации программирования Эти спецификации, особенно для ППЗУ, оказываются довольно сложными и их требуется неукоснитель но соблюдать. Поэтому многие фирмы предлагают специальные приборы, на зываемые программаторами ППЗУ и предназначенные для программирова ния ППЗУ и СППЗУ Чтобы удовлетворить спецификации нескольких типов микросхем, в некоторых программаторах предусмотрены схемные модули, называемые платами персонификации, которые формируют все электричес­кие сигналы для программирования микросхем определенного типа. Кроме плат персонификации, в управляющий модуль программатора обычно встраи­вается микропроцессор. Управляющий модуль позволяет одним приказом записать блок данных из системы проектирования в ППЗУ или СППЗУ В программаторе имеется также индикатор для контроля содержимого ППЗУ. Для универсального программатора ППЗУ фирмы Intel в операцион­ной системе ISIS-II имеются приказы для выполнения следующих операций

1. Загрузка программируемых данных из выбранного устройства ввода (дисковый файл, перфолента или системная консоль) в память системы про­ектирования.

2. Индикация или изменение данных в памяти системы проектирования

3. Запись в сегмент ППЗУ данных, которые хранятся в памяти системы проектирования по заданному начальному адресу (т е. собственно програм­мирование) .

4 Передача блока данных из ППЗУ в память, что позволяет просмотреть содержимое ППЗУ с системной консоли или использовать для программиро­вания дублирующей микросхемы.

5. Передача блока данных из ППЗУ в дисковый файл.

6. Сравнение блока данных из ППЗУ с содержимым области памяти (т е контроль программирования).

Электрически изменяемые ППЗУ также допускают репрограммирование и обладают удобным преимуществом возможностью отдельно стирать и ре-программировать каждый байт. К недостатку таких микросхем относится сравнительно высокая стоимость.

Упражнения 1 Заполните следующую таблицу





Рис. 10 17 Условное изобра­жение запоминающего эле­мента

^ 2 Имеется модуль памяти емкостью 32К байт с в контрольными битами парите га, выполненный на

( микросхемах с организацией 8К У 1 Определите конфигурацию массива микросхем число микро­схем в каждой строке, в каждом столбце и во всем t модуле Повторите упражнение для микросхем с - организацией 16К Х 1

3 Постройте таблицу, которая отражаен основные . вопросы проектирования, рассмотренные в § 10.1 [ 4. Постройте логическую схему, показывающую ^подробности реализации схемы на рис. 10.5. Услов­ное изображение запоминающего элемента приведе­но на рис. 10.17.

5. Покажите, как можно упростить схему на рис. 10.8, если общая емкость памяти

I составляет 8К Х 8. Дайте возможности дальнейшего упрощения в случае одноплатной '"Т системы на базе микропроцессора 8088 в минимальном режиме.

Г 6. Рассмотрите модуль памяти 256К Х 8, построенный на динамических ЗУПВ с орга-|йизацией 32К Х 1, внутри которых имеется 128 строк запоминающих элементов. Если Г Вся память регенерируется один раз в миллисекунду, каков период циклов регенерации | строк? Постройте график потери времени на регенерацию в зависимости от времени

^Цикла памяти, если оно изменяется от 100 до 800 не. t

^II 7. Перестройте схему на рис. 10.11, считая, что модуль имеет емкость 64К байт и по-; строен на микросхемах 32К Х 1 (матрица запоминающих элементов имеет 128 строк)

8. Приведите достоинства и недостатки динамических ЗУПВ по сравнению со стати­ческими.

9. Пусть в модуле памяти с емкостью 25 6К байт применяются динамические ЗУПВ 64К Х 1, имеющие питание +5 В. Какой ток потребляет Модуль, если каждая микросхе­ма рассеивает 1 Вт, а электроника обрамления 2 Вт? Сколько аккумуляторов необходи-

I мо для резервного питания в течение 8 ч, если аккумулятор имеет емкость 2 А • ч при

, разрядном токе 2 А?

. 10. Повторите упр. 9, считая, что резервное питание требуется всего на 15 мин, но до-^\ пустимый разрядный гок равен 0,7 А

| 11. Постройте интерфейсную логику для модуля ПЗУ 4К байт, приведенного на |рис. 10.16.

s

s 12. Одно из применений ПЗУ связано с заменой схем, реализующих сложные логи-

F ческие функции. Рассмотрите следующую булеву функцию



Сколько основных логических элементов (инверторов, двухвходовых схем И, двухвхо-довых схем ИЛИ) потребуется для реализации этой функции? Определите содержимое ПЗУ 512 Х 8, которое применяется для реализации этой функции, причем младший бит выходных данных служит выходом /. (Указание. Важен только младший бит каждого Ууюва.) Проанализируйте задержки распространения, возникающие в каждом варианте.

Е 13. Сколько булевых функций можно реализовать на ПЗУ 2К Х 8 и каковы ограниче­ния на входные переменные этих функций?

2) Компьютерные сети