ОЗУ динамического типа

В запоминающих устройствах динамического типа информация хранится в виде заряда на конденсаторе. Поэтому питание на ОЗУ подается не постоянно, а только в очень короткие промежутки времени. Оно используется для восстановления заряда на конденсаторах матрицы ОЗУ. Благодаря импульсному питанию динамические ОЗУ потребляют в тысячи раз меньше мощности, чем аналогичные по емкости статические.

В микросхемах динамической памяти функции запоминающих элементов выполняют электрические конденсаторы, образованные внутри МДП-структуры. Поскольку время сохранения заряда на конденсаторе ограничено, необходимо предусмотреть восстановление (регенерацию) записанной информации. Период регенерации для динамических ОЗУ равен нескольким миллисекундам (для микросхем серии К565 время регенерации 2 мс).

Микросхемы (МС) большинства динамических ОЗУ с целью уменьшения количества выводов построены с мультиплексированием кода адреса: вначале в МС вводят код строки А0 – А7, фиксируя его во входном регистре стробирующим сигналом RAS (Row Address Strobe ), а затем код адреса столбца А8 – А13, фиксируя его во внутреннем регистре стробирующим сигналом CAS (Column Address Strobe ).

В режиме регенерации микросхема ОЗУ изолируется от информационных входа и выхода за счет подачи сигнала CAS = 1. Следовательно, адресуются только строки, т.к. регенерация информации происходит во всех элементах памяти строки одновременно.

Перебирая адреса строк, устройство регенерации обеспечивает восстановление информации во всей матрице накопителя. Условное обозначение БИС динамического ОЗУ типа К565РУ5 и временная диаграмма функционирования показаны на рисунке 5.6.

Схема динамической ячейки памяти на 8 транзисторах показана на рисунке 5.7. Она отличается от аналогичной ячейки статического ОЗУ только тем, что затворы транзисторов Т3 и Т6 соединены с генератором импульсов регенерации, а не с источником питания.

Рисунок 5.7 - Схема ячейки памяти динамического ОЗУ	Рисунок 5.8 – Схема однотранзисторной ячейки динамического ОЗУ

За счет уменьшения количества транзисторов на одну ячейку удалось существенно увеличить емкость динамической памяти, располагаемой на одном кристалле и снизить потребление энергии от источника питания.

5.5. Постоянные запоминающие устройства

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) являются энергонезависимыми устройствами, служащими для хранения цифровых данных. ПЗУ могут быть построены на пассивных элементах (плавких перемычках П или диодах D) или активных (транзисторах). Схема ПЗУ представляет собой матрицу (рисунок 5.9) количество горизонтальных линий равно разрядности хранимого слова, а число вертикальных – количеству хранимых слов.

Как видно из схемы, при активации адресной линии вертикальная шина соединяется с сигнальной землей и диоды, подключенные к этой шине, шунтируют линии данных на "землю". Таким образом, если горизонтальная линии данных соединена с вертикальной через диод (или перемычку), то при выборе адресной линии, на выходе линии данных будет потенциал близкий к нулю, т. е. логический 0. Если диод или перемычка отсутствуют в данном узле, то на соответствующем выходе линии данных присутствует высокий потенциал, близкий к Е П , т.е. логическая 1. Обычно такие ПЗУ изготавливаются со всеми диодами (или плавкими перемычками) в узлах матрицы. В тех узлах, в которых диод или перемычка должны отсутствовать, их убирают путем выжигания. Эта процедура выполняется в процессе программирования ПЗУ и называется "прожиганием ПЗУ".

Рисунок 5.9 – Схема матричного ПЗУ

Запись информации в ПЗУ осуществляется пословно (побайтно). Для занесения информации в ячейку ПЗУ необходимо на линии данных, в которых должна быть "1", подать высокий потенциал (≈ 25 В) и выбрать соответствующую адресную линию, т.е. соединить ее с сигнальной землей. Протекающий ток расплавляет диод или плавкую перемычку, исключая тем самым шунтирующую цепь соответствующей линии данных.

Недостаток рассмотренной схемы ПЗУ состоит в том, что после занесения информации в это устройство ее нельзя изменить. То есть, при изменении программы, подлежащей хранению в ПЗУ, необходимо запрограммировать новое устройство. Для устранения этого недостатка разработаны полупостоянные электрически перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ЭППЗУ). Схема ЭППЗУ подобна ПЗУ на основе МОП транзисторов, однако транзисторы в таком устройстве имеют "плавающий" затвор, который электрически изолирован оксидным слоем полупроводникового материала. Схема ЭППЗУ изображена на рисунке 5.10. При подаче на "плавающий" затвор (ПЗ) положительного потенциала по отношению к стоку транзистора на ПЗ индуцируется электрический заряд, который за счет высококачественной изоляции может сохраняться до 10 лет и более. Благодаря этому заряду транзистор находится в открытом состоянии, при котором сопротивление Сток-Исток становится близким к нулю.

Запоминающая ячейка динамического типа хранит информацию в виде заряда емкости. Ток утечки обратно смещенного p-n перехода составляет не более 10-10 A (0,1 нA ), а емкость - 0,1..0,2 пФ, следовательно постоянная времени разряда - более 1 мС . Поэтому через каждые 1..2 мС требуется производить подзаряд емкостей запоминающих элементов - регенерацию динамической памяти.

В динамических ОЗУ чаще используется т.н. "строчная регенерация", при которой в одном цикле регенерируются все элементы, расположенные в одной строке прямоугольной матрицы накопителя. Следует отметить, что любое обращение к запоминающей ячейке (запись или чтение) осуществляет ее регенерацию и одновременно регенерирует все ячейки, расположенные в той же строке накопителя.

Рис. 1. Управление регенерацией динамической памяти

Однако, при работе ОЗУ в составе МПС в общем случае нельзя дать гарантию, что в течение 2мС произойдет обращение ко всем строкам накопителя, т.к. поток адресов является случайным. Для обеспечения гарантированной сохранности информации в динамическом ОЗУ при работе МПС вводятся специальные циклы регенерации - обращения к ОЗУ по последовательным адресам строк.

В большинство динамических ОЗУ адрес ячейки подается за два приема : сначала - адрес строки, который запоминается во внутреннем регистре ОЗУ, потом по тем же линиям - адрес столбца. Каждая передаваемая по мультиплексированным линиям часть адреса сопровождается соответствующим управляющим сигналом (RAS, CAS).

Для регенерации накопителя достаточно провести обращение только к последовательным строкам - каждый цикл обращения для регенерации может состоять только из передачи адреса строки. Поэтому для полной регенерации накопителя объемом 16K (матрица 128 ´ 128) достаточно 128 тактов. Накопители большего объема реализуют на неквадратных матрицах, чтобы уменьшить число строк и сократить время регенерации. Так, накопитель объемом 64K имеет матрицу 128 ´ 512.

Различают несколько способов организации регенерации динамических ОЗУ в МПС.

Регенерация "по таймеру" . В состав МПС вкл ючается таймер регенерации, который каждые 2 мС формирует сигнал, блокирующий обращение МП к памяти и запускающий процедуру регенерации. Схема управления регенерацией включает в себя счетчик адреса регенерации, триггер регенерации и мультиплексор адреса.

Недостатком такого способа регенерации является значительная потеря времени на регенерацию - до нескольких процентов времени работы МПС, причем это время может возрастать с ростом объема памяти МПС. Таким образом, использование метода регенерации по таймеру снижает производительность МПС, т.к. при выполнении регенерации МП пребывает в состоянии ожидания.

"Прозрачная" регенерация . Главным достоинством метода прозрачной регенерации является отсутствие простоев МП при регенерации ОЗУ, поскольку для регенерации выбираются такие моменты времени, когда МП не занимает системную шину. Однажды начав регенерацию, совсем не обязательно проводить ее полностью. Циклы регенерации могут чередоваться с процессорными циклами, главное, чтобы процесс регенерации накопителя завершился за время, не превышающее 2 мС . Многие МП формируют специальные сигналы, отмечающие занятость шины. Эти сигналы можно использовать для управления триггером регенерации. Если МП (например, i8080) не формирует сигнала занятости магистрали, то такой сигнал можно сформировать специальной внешней схемой.

Так, в машинном цикле МП i8080 могут появляться такты T4, T5, в которых МП не занимает системную шину. Эти моменты времени можно выделять специальной схемой и использовать для регенерации.

Микропроцессор Z80 имеет встроенный счетчик регенерации и обеспечивает этот процесс самостоятельно параллельно с внутренней обработкой информации на кристалле.

В большинстве МП не предусмотрены средства обеспечения регенерации, т.к. в МПС может и отсутствовать динамическая память. Однако, в составе микропроцессорных комплектов выпускаются специальные БИС контроллеров регенерации. В качестве примера кратко рассмотрим структуру и функционирование БИС К1818ВТ03 - "Контроллер динамической памяти". Ниже показана структура БИС 565РУ5 (64К´ 1), а на рис.3 временная диаграмма ее работы.

Рис. 2 . Структура БИС динамического ОЗУ

БИС динамических ЗУ имеют объемы от 16К´ 1 (565РУ3) до 1М´ 1 (..РУ9 ), но имеют одинаковую структуру и линии управления (за исключением числа адресных).

Рис. 3 . Временная диаграмма работы БИС динамического ОЗУ

Из рисунков следует, что адрес ячейки подается в ОЗУ последовательно двумя порциями по одним и тем же линиям в сопровождении управляющих сигналов RAS\ (строб адреса строки) и CAS\ (строб адреса столбца). Поэтому адрес на системной шине, формируемый МП, должен мультиплексироваться, одновременно вырабатываться управляющие сигналы RAS и CAS.

Кристалл ОЗУ бывает выбран только при условии RAS = CAS = 0, что позволяет осуществлять селекцию блоков по двум координатам.

Контроллер динамической памяти (КДП) обеспечивает мультиплексирование адреса системной шины, выработку управляющих сигналов CAS и RAS (для селекции модулей ОЗУ), а также внутреннюю (по таймеру) или внешнюю (прозрачную) регенерацию.

Структурная схема контроллеравключает в себя :

· буферные схемы Буф.1,2,3 для подключения системной шины адреса и управления;

· счетчик адреса регенерации;

· мультиплексоры MUX1,2;

· схему управления с тактовым генератором, таймером и триггером регенерации, арбитром и логической схемой L для формирования управляющих сигналов.

КДП обеспечивает преобразование сигналов системной шины МПС в сигналы управления динамическим ОЗУ, причем может работать в двух режимах : "16/64" (на память 16K или 64K соответственно). В режиме "16" две старшие линии адреса используются для формирования одного из сигналов RAS\, в режиме "64" КДП может управлять двумя банками по 64K, причем сигнал RAS появляется на одном из выходов RAS0 или RAS1 - в зависимости от состояния линии RAS3\/B0, которая в режиме "64" становится входом, определяющим номер банка ОЗУ.

Регенерация может осуществляться в двух режимах - внутреннем и внешнем. Если вход REFR остается неактивным 10..16 мкС , то формируется запрос на цикл регенерации от внутреннего таймера, причем в случае конфликта арбитр отдает предпочтение циклу памяти. Таким образом, и при регенерации по таймеру используются свободные такты шины. При внешней регенерации запрос должен быть сформирован на входе REFR.

Сигнал PCS - "Защищенный выбор кристалла" отличается от традиционного CS тем, что если PCS сформирован, то цикл ЗУ аннулировать нельзя.

Рис. 4 . Контроллер динамического ОЗУ

RD, WR - запросы на циклы чтения и записи соответственно.

X0, X1 - выводы для подключения кварцевого резонатора при работе с внутренним генератором. При работе с внешним генератором на вход X0 подается высокий потенциал, а на X1 - частота CLK внешнего генератора.

Выходной сигнал SACK\ вырабатывается КДП в начале цикла обращения к памяти. Если запрос от МП приходится на цикл регенерации, то SACK\ задерживается до начала цикла чтения/записи.

Выходной сигнал XACK\ ("Готовность данных") вырабатывается в конце цикла чтения/записи.

Сигналы SACK\ и XACK\ можно использовать для управления потенциалом на входе READY микропроцессора.

В некоторых, достаточно редких частных случаях, можно воспользоваться способом регенерации "размещением данных" . Так, если, например, память изображения дисплея является составной частью единого ОЗУ МПС и МП регулярно обращается в эту область для поддержания изображения на экране, то достаточно расположить область ОЗУ дисплея в памяти МПС таким образом, чтобы она "перекрывала" все строки накопителя (достигается соответствующим подбором адресов), чтобы каждое обращение к области ОЗУ дисплея, помимо регенерации изображения, регенерировала и всю память МПС.

Динамическая память состоит из ядра (массива ЗЭ) и интерфейсной логики (буферных регистров, усилителей чтения данных, схемы регенерации и др.), Хотя количество видов DRAM уже превысило два десятка, ядро у них организовано практически одинаково. Главные различия связаны с интерфейсной логикой, причем различия эти обусловлены также и областью применения микросхем - помимо основной памяти ЭВМ, микросхемы памяти входят, например, в состав видеоадаптеров. Классификация микросхем динамической памяти показана ниже (см. рисунок ниже).

Типы микросхем динамического ОЗУ

Теперь рассмотрим различные типы микросхем динамической памяти DRAM. На начальном этапе это были микросхемы асинхронной памяти, работа которых не привязана жестко к тактовым импульсам системной шины. Асинхронной памяти свойственны дополнительные затраты времени на взаимодействие микросхем памяти и контроллера. Так, в асинхронной схеме сигнал RAS будет сформирован только после поступления в контроллер тактирующего импульса и будет воспринят микросхемой памяти через некоторое время.

Микросхемы DRAM . В первых микросхемах динамической памяти применялся наиболее простой способ обмена данными. Он позволял считывать и записывать строку памяти только на каждый пятый такт (см. рисунок ниже "a"). Этапы такой процедуры были описаны ранее. Традиционной DRAM соответствует формула 5-5-5-5. Микросхемы данного типа могли работать на частотах до 40 МГц и из-за своей медлительности (время доступа составляло около 120 нс) просуществовали недолго.

Микросхемы FРМ DRAM . Микросхемы динамического ОЗУ, реализующие режим FPM (Fast Page Mode), также относятся к ранним типам DRAM. В основе лежит следующая идея. Доступ к ячейкам, лежащим в одной строке матрицы, можно проводить быстрее. Для доступа к очередной ячейке достаточно подавать на микросхему лишь адрес нового столбца, сопровождая его сигналом CAS. Полный же адрес (строки и столбца) передается только при первом обращении к строке. Сигнал RAS остается активным на протяжении всего страничного цикла и позволяет заносить в регистр адреса столбца новую информацию не по спадающему фронту CAS, а как только адрес на входе стабилизируется, то есть практически по переднему фронту сигнала CAS. Схема чтения для FPM DRAM (см. рисунок ниже "b") описывается формулой 5-3-3-3 (всего 14 тактов). Применение схемы быстрого страничного доступа позволило сократить время доступа до 60 нс.

Микросхемы EDO DRAM . Следующим этапом в развитии динамических ОЗУ стали микросхемы с гuперстраничным режимом доступа (НРМ, Нурег Page Mode), более известные как EDO (Extended Data Output - расширенное время удержания данных на выходе). Главная особенность технологии - увеличенное по cpaвнению с FPM DRAM время доступности данных на выходе микросхемы. В микросхемах FPM DRAM выходные данные остаются действительными только при активном сигнале CAS, за счет чего во втором и последующих доступах к строке нужно три такта: такт переключения CAS в активное состояние, такт считывания данных и такт переключения CAS в неактивное состояние. В EDO DRAM по активному (спадающему) фронту сигнала CAS данные запоминаются во внутреннем регистре, где хранятся еще некоторое время после того, как поступит следующий активный фронт сигнала. Это позволяет использовать хранимые данные, когда CAS уже переведен в неактивное состояние. Схема чтения у EDO DRAM уже 5-2- 2-2 (см. рисунок ниже "c"), что на 20% быстрее, чем у FPM. Время доступа составляет порядка 30-40 нс.

Временные диаграммы DRAM, FPM DRAM, EDO DRAM

Микросхемы BEDO DRAM . Технология EDO была усовершенствована компанией VIА Technologies. Новая модификация EDO известна как BEDO (Burst EDO - пакетная EDO). Новизна метода в том, что при первом обращении считывается вся строка микросхемы, в которую входят последовательные слова пакета. За последовательной пересылкой слов (переключением столбцов) автоматически следит внутренний счетчик микросхемы. Это исключает необходимость выдавать адреса для всех ячеек пакета, но требует поддержки со стороны внешней логики. Способ позволяет сократить время считывания второго и последующих слов еще на один такт (см. рисунок ниже), благодаря чему формула приобретает вид 5-1-1-1.

Микросхемы SDRAM . Аббревиатура SDRAM (Sуnchrоnous DRAM - Синхронная DRAM) используется для обозначения микросхем "обычных" синхронных динамических ОЗУ. Кардинальные отличия SDRAM от рассмотренных выше асинхронных динамических ОЗУ можно свести к четырем положениям:

Синхронный метод передачи данных на шину;

Применение нескольких (двух или четырех) внутренних банков памяти;

Конвейерный механизм пересылки пакета;

Передача части функций контроллера памяти логике самой микросхемы.

Синхронность памяти позволяет контроллеру памяти "знать" моменты готовности данных, за счет чего снижаются издержки циклов ожидания и поиска данных. Так как данные появляются на выходе микросхемы одновременно с тактовыми импульсами, упрощается взаимодействие памяти с другими устройствами ЭВМ.В отличие от ВЕDО конвейер позволяет передавать данные пакета по тактам, благодаря чему ОЗУ может работать бесперебойно на более высоких частотах, чем асинхронные ОЗУ.

Временные диаграммы BEDO DRAM, SDRAM

Микросхемы DDR SDRAM . Важным этапом в дальнейшем развитии технологии SDRAM стала DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM - SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных). В отличие от SDRAM, новая модификация выдает данные в пакетном режиме по обоим фронтам импульса синхронизации, из-за чего пропускная способность возрастает вдвое.

Микросхемы RDRAM, DRDRAM . Принципиально отличный подход к построению DRAM был предложен компанией Rambus в 1997 году. В нем используется оригинальная система обмена данными между ядром и контроллером памяти. В таблице (см. таблица ниже) приведены сравнительные характеристики перечисленных выше микросхем памяти. Ведутся работы по повышению быстродействия, в частности, связанные с применением КЭШ в микросхемах (CDRAM).

Динамической памяти в вычислительной машине значительно больше, чем стати­ческой, поскольку именно DRAM используется в качестве основной памяти ВМ. Как и SRAM, динамическая память состоит из ядра (массива ЗЭ) и интерфейсной логики (буферных регистров, усилителей чтения данных, схемы регенерации и др.). Хотя количество видов DRAM уже превысило два десятка, ядро у них организова­но практически одинаково. Главные различия связаны с интерфейсной логикой, причем различия эти обусловлены также и областью применения микросхем – помимо основной памяти ВМ, ИМС динамической памяти входят, например, в состав видеоадаптеров. Классификация микросхем динамической памяти пока­зана на рис. 72.

Чтобы оценить различия между видами DRAM, предварительно остановимся на алгоритме работы с динамической памятью. Для этого воспользуемся рис. 68.

В отличие от SRAM адрес ячейки DRAM передается в микросхему за два шага - вначале адрес столбца, а затем строки, что позволяет сократить количество выво­дов шины адреса примерно вдвое, уменьшить размеры корпуса и разместить на материнской плате большее количество микросхем. Это, разумеется, приводит к снижению быстродействия, так как для передачи адреса нужно вдвое больше вре­мени. Для указания, какая именно часть адреса передается в определенный момент, служат два вспомогательных сигнала RAS и CAS. При обращении к ячейке памя­ти на шину адреса выставляется адрес строки. После стабилизации процессов на шине подается сигнал RAS и адрес записывается во внутренний регистр микро­схемы памяти. Затем на шину адреса выставляется адрес столбца и выдается сиг­нал CAS. В зависимости от состояния линии WE производится чтение данных из ячейки или их запись в ячейку (перед записью данные должны быть помещены на шину данных). Интервал между установкой адреса и выдачей сигнала RAS (или CAS) оговаривается техническими характеристиками микросхемы, но обычно ад­рес выставляется в одном такте системной шины, а управляющий сигнал - в сле­дующем. Таким образом, для чтения или записи одной ячейки динамического ОЗУ требуется пять тактов, в которых происходит соответственно: выдача адреса строки, выдача сигнала RAS, выдача адреса столбца, выдача сигнала CAS, выполнение операции чтения/записи (в статической памяти процедура занимает лишь от двух до трех тактов).

Рис. 72. Классификация динамических ОЗУ: а) – микросхемы для основной памяти; б) – микросхемы для видеоадаптеров.

Следует также помнить о необходимости регенерации данных. Но наряду с ес­тественным разрядом конденсатора ЗЭ со временем к потере заряда приводит так­же считывание данных из DRAM, поэтому после каждой операции чтения данные должны быть восстановлены. Это достигается за счет повторной записи тех же данных сразу после чтения. При считывании информации из одной ячейки факти­чески выдаются данные сразу всей выбранной строки, но используются только те, которые находятся в интересующем столбце, а все остальные игнорируются. Та­ким образом, операция чтения из одной ячейки приводит к разрушению данных всей строки, и их нужно восстанавливать. Регенерация данных после чтения выполняется автоматически интерфейсной логикой микросхемы, и происходит это сразу же после считывания строки.

Теперь рассмотрим различные типы микросхем динамической памяти, начнем с системных DRAM, то есть микросхем, предназначенных для использования в ка­честве основной памяти. На начальном этапе это были микросхемы асинхронной памяти, работа которых не привязана жестко к тактовым импульсам системной шины.

Асинхронные динамические ОЗУ. Микросхемы асинхронных динамических ОЗУ управляются сигналами RAS и CAS, и их работа в принципе не связана непосред­ственно тактовыми импульсами шины. Асинхронной памяти свойственны допол­нительные затраты времени на взаимодействие микросхем памяти и контроллера. Так, в асинхронной схеме сигнал RAS будет сформирован только после поступле­ния в контроллер тактирующего импульса и будет воспринят микросхемой памя­ти через некоторое время. После этого память выдаст данные, но контроллер сможет их считать только по приходу следующего тактирующего импульса, так как он должен работать синхронно с остальными устройствами ВМ. Таким образом, на протяжении цикла чтения/записи происходят небольшие задержки из-за ожида­ния памятью контроллера и контроллером памяти.

Микросхемы DRAM. В первых микросхемах динамической памяти применялся наиболее простой способ обмена данными, часто называемый традиционным (con­ventional). Он позволял считывать и записывать строку памяти только на каждый пятый такт. Этапы такой процедуры были описаны ранее. Традици­онной DRAM соответствует формула 5-5-5-5. Микросхемы данного типа могли работать на частотах до 40 МГц и из-за своей медлительности (время доступа со­ставляло около 120 нс) просуществовали недолго.

Микросхемы FPMDRAM. Микросхемы динамического ОЗУ, реализующие ре­жим FPM, также относятся к ранним типам DRAM. Сущность режима была пока­зана ранее. Схема чтения для FPM DRAM описывается формулой 5-3-3-3 (всего 14 тактов). Применение схемы быстрого страничного доступа по­зволило сократить время доступа до 60 нс, что, с учетом возможности работать на более высоких частотах шины, привело к увеличению производительности памя­ти по сравнению с традиционной DRAM приблизительно на 70%. Данный тип микросхем применялся в персональных компьютерах примерно до 1994 года.

Микросхемы EDO DRAM. Следующим этапом в развитии динамических ОЗУ стали ИМС с гиперстраничным режимом доступа (НРМ, Hyper Page Mode), бо­лее известные как EDO (Extended Data Output - расширенное время удержания данных на выходе). Главная особенность технологии - увеличенное по сравне­нию с FPM DRAM время доступности данных на выходе микросхемы. В микро­схемах FPM DRAM выходные данные остаются действительными только при ак­тивном сигнале CAS, из-за чего во втором и последующих доступах к строке нужно три такта: такт переключения CAS в активное состояние, такт считывания данных и такт переключения CAS в неактивное состояние. В EDO DRAM по активному (спадающему) фронту сигнала CAS данные запоминаются во внутреннем регистре, где хранятся еще некоторое время после того, как поступит следующий активный фронт сигнала. Это позволяет использовать хранимые данные, когда CAS уже переведен в неактивное состояние. Иными словами, временные пара­метры улучшаются за счет исключения циклов ожидания момента стабилизации данных на выходе микросхемы.

Схема чтения у EDO DRAM уже 5-2-2-2, что на 20% быстрее, чем у FPM. Вре­мя доступа составляет порядка 30-40 нс. Следует отметить, что максимальная ча­стота системной шины для микросхем EDO DRAM не должна была превышать 66 МГц.

Микросхемы BEDO DRAM. Технология EDO была усовершенствована компа­нией VIA Technologies. Новая модификация EDO известна как BEDO (Burst EDO - пакетная EDO). Новизна метода в том, что при первом обращении считы­вается вся строка микросхемы, в которую входят последовательные слова пакета. За последовательной пересылкой слов (переключением столбцов) автоматически следит внутренний счетчик микросхемы. Это исключает необходимость выдавать адреса для всех ячеек пакета, но требует поддержки со стороны внешней логики. Способ позволяет сократить время считывания второго и последующих слов еще на один такт, благодаря чему формула приобретает вид 5-1-1-1.

Микросхемы EDRAM. Более быстрая версия DRAM была разработана подраз­делением фирмы Ramtron - компанией Enhanced Memory Systems. Технология реализована в вариантах FPM, EDO и BEDO. У микросхемы более быстрое ядро и внутренняя кэш-память. Наличие последней - главная особенность технологии. В роли кэш-памяти выступает статическая память (SRAM) емкостью 2048 бит. Ядро EDRAM имеет 2048 столбцов, каждый из которых соединен с внутренней кэш-памятью. При обращении к какой-либо ячейке одновременно считывается целая строка (2048 бит). Считанная строка заносится в SRAM, причем перенос информации в кэш-память практически не сказывается на быстродействии, по­скольку происходит за один такт. При дальнейших обращениях к ячейкам, отно­сящимся к той же строке, данные берутся из более быстрой кэш-памяти. Следую­щее обращение к ядру происходит при доступе к ячейке, не расположенной в строке, хранимой в кэш-памяти микросхемы.

Технология наиболее эффективна при последовательном чтении, то есть когда среднее время доступа для микросхемы приближается к значениям, характерным для статической памяти (порядка 10 нс). Главная сложность состоит в несовмес­тимости с контроллерами, используемыми при работе с другими видами DRAM.

Синхронные динамические ОЗУ. В синхронных DRAM обмен информацией син­хронизируется внешними тактовыми сигналами и происходит в строго определен­ные моменты времени, что позволяет взять все от пропускной способности шины «процессор-память» и избежать циклов ожидания. Адресная и управляющая ин­формация фиксируются в ИМС памяти. После чего ответная реакция микросхе­мы произойдет через четко определенное число тактовых импульсов, и это время процессор может использовать для других действий, не связанных с обращением к памяти. В случае синхронной динамической памяти вместо продолжительности цикла доступа говорят о минимально допустимом периоде тактовой частоты, и речь уже идет о времени порядка 8-10 нс.

Микросхемы SDRAM. Аббревиатура SDRAM (Synchronous DRAM - синхрон­ная DRAM) используется для обозначения микросхем «обычных» синхронных динамических ОЗУ. Кардинальные отличия SDRAM от рассмотренных выше асин­хронных динамических ОЗУ можно свести к четырем положениям:

· синхронный метод передачи данных на шину;

· конвейерный механизм пересылки пакета;

· применение нескольких (двух или четырех) внутренних банков памяти;

· передача части функций контроллера памяти логике самой микросхемы.

Синхронность памяти позволяет контроллеру памяти «знать» моменты готов­ности данных, за счет чего снижаются издержки циклов ожидания и поиска дан­ных. Так как данные появляются на выходе ИМС одновременно с тактовыми им­пульсами, упрощается взаимодействие памяти с другими устройствами ВМ.

В отличие от BEDO конвейер позволяет передавать данные пакета по тактам, благодаря чему ОЗУ может работать бесперебойно на более высоких частотах, чем асинхронные ОЗУ. Преимущества конвейера особенно возрастают при передаче длинных пакетов, но не превышающих длину строки микросхемы.

Значительный эффект дает разбиение всей совокупности ячеек на независи­мые внутренние массивы (банки). Это позволяет совмещать доступ к ячейке одного банка с подготовкой к следующей операции в остальных банках (перезарядкой управляющих цепей и восстановлением информации). Возможность держать открытыми одновременно несколько строк памяти (из разных банков) также спо­собствует повышению быстродействия памяти. При поочередном доступе к бан­кам частота обращения к каждому из них в отдельности уменьшается пропор­ционально числу банков и SDRAM может работать на более высоких частотах. Благодаря встроенному счетчику адресов SDRAM, как и BEDO DRAM, позволя­ет производить чтение и запись в пакетном режиме, причем в SDRAM длина паке­та варьируется и в пакетном режиме есть возможность чтения целой строки памя­ти. ИМС может быть охарактеризована формулой 5-1-1-1. Несмотря на то, что формула для этого типа динамической памяти такая же, что и у BEDO, способ­ность работать на более высоких частотах приводит к тому, что SDRAM с двумя банками при тактовой частоте шины 100 МГц по производительности может по­чти вдвое превосходить память типа BEDO.

Микросхемы DDR SDRAM. Важным этапом в дальнейшем развитии техноло­гии SDRAM стала DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM - SDRAM с удвоен­ной скоростью передачи данных). В отличие от SDRAM новая модификация вы­дает данные в пакетном режиме по обоим фронтам импульса синхронизации, за счет чего пропускная способность возрастает вдвое. Существует несколько специ­фикаций DDR SDRAM, в зависимости от тактовой частоты системной шины: DDR266, DDR333, DDR400, DDR533. Так, пиковая пропускная способность мик­росхемы памяти спецификации DDR333 составляет 2,7 Гбайт/с, а для DDR400 - 3,2 Гбайт/с. DDR SDRAM в настоящее время является наиболее распространен­ным типом динамической памяти персональных ВМ.

Микросхемы RDRAM, DRDRAM. Наиболее очевидные способы повышения эффективности работы процессора с памятью - увеличение тактовой частоты шины либо ширины выборки (количества одновременно пересылаемых разрядов). К сожалению, попытки совмещения обоих вариантов наталкиваются на существен­ные технические трудности (с повышением частоты усугубляются проблемы элек­тромагнитной совместимости, труднее становится обеспечить одновременность поступления потребителю всех параллельно пересылаемых битов информации). В большинстве синхронных DRAM (SDRAM, DDR) применяется широкая вы­борка (64 бита) при ограниченной частоте шины.

Принципиально отличный подход к построению DRAM был предложен ком­панией Rambus в 1997 году. В нем упор сделан на повышение тактовой частоты до 400 МГц при одновременном уменьшении ширины выборки до 16 бит. Новая па­мять известна как RDRAM (Rambus Direct RAM). Существует несколько разно­видностей этой технологии: Base, Concurrent и Direct. Во всех тактирование ведется по обоим фронтам синхросигналов (как в DDR), благодаря чему результирующая частота составляет соответственно 500-600, 600-700 и 800 МГц. Два первых ва­рианта практически идентичны, а вот изменения в технологии Direct Rambus (DRDRAM) весьма значительны.

Сначала остановимся на принципиальных моментах технологии RDRAM, ори­ентируясь в основном на более современный вариант - DRDRAM. Главным от­личием от других типов DRAM является оригинальная система обмена данными между ядром и контроллером памяти, в основе которой лежит так называемый «канал Rambus», применяющий асинхронный блочно-ориентированный протокол. На логическом уровне информация между контроллером и памятью передается пакетами.

Различают три вида пакетов: пакеты данных, пакеты строк и пакеты столбцов. Пакеты строк и столбцов служат для передачи от контроллера памяти команд уп­равления соответственно линиями строк и столбцов массива запоминающих эле­ментов. Эти команды заменяют обычную систему управления микросхемой с по­мощью сигналов RAS, CAS, WE и CS.

Массив ЗЭ разбит на банки. Их число в кристалле емкостью 64 Мбит составля­ет 8 независимых или 16 сдвоенных банков. В сдвоенных банка^ пара банков ис­пользует общие усилители чтения/записи. Внутреннее ядро микросхемы имеет 128-разрядную шину данных, что позволяет по каждому адресу столбца переда­вать 16 байт. При записи можно использовать маску, в которой каждый бит соот­ветствует одному байту пакета. С помощью маски можно указать, сколько байтов пакета и какие именно должны быть записаны в память.

Линии данных, строк и столбцов в канале полностью независимы, поэтому ко­манды строк, команды столбцов и данные могут передаваться одновременно, при­чем для разных банков микросхемы. Пакеты столбцов включают в себя по два поля и передаются по пяти линиям. Первое поле задает основную операцию записи или чтения. Во втором поле находится либо указание на использование маски записи (собственно маска передается по линиям данных), либо расширенный код опера­ции, определяющий вариант для основной операции. Пакеты строк подразделя­ются на пакеты активации, отмены, регенерации и команды переключения режи­мов энергопотребления. Для передачи пакетов строк выделены три линии.

Операция записи может следовать сразу за чтением - нужна лишь задержка на время прохождения сигнала по каналу (от 2,5 до 30 нс в зависимости от длины канала). Чтобы выровнять задержки в передаче отдельных битов передаваемого кода, проводники на плате должны располагаться строго параллельно, иметь оди­наковую длину (длина линий не должна превышать 12 см) и отвечать строгим тре­бованиям, определенным разработчиком.

Каждая запись в канале может быть конвейеризирована, причем время задерж­ки первого пакета данных составляет 50 нс, а остальные операции чтения/записи осуществляются непрерывно (задержка вносится только при смене операции с за­писи на чтение, и наоборот).

В имеющихся публикациях упоминается работа Intel и Rambus над новой вер­сией RDRAM, названной nDRAM, которая будет поддерживать передачу данных с частотами до 1600 МГц.

Микросхемы SLDRAM. Потенциальным конкурентом RDRAM на роль стандарта архитектуры памяти для будущих персональных ВМ выступает новый вид ди­намического ОЗУ, разработанный консорциумом производителей ВМ SyncLink Consortium и известный под аббревиатурой SLDRAM. В отличие от RDRAM, тех­нология которой является собственностью компаний Rambus и Intel, данный стан­дарт - открытый. На системном уровне технологии очень похожи. Данные и ко­манды от контроллера к памяти и обратно в SLDRAM передаются пакетами по 4 или 8 посылок. Команды, адрес и управляющие сигналы посылаются по однонап­равленной 10-разрядной командной шине. Считываемые и записываемые данные передаются по двунаправленной 18-разрядной шине данных. Обе шины работают на одинаковой частоте. Пока что еще эта частота равна 200 МГц, что, благодаря технике DDR, эквивалентно 400 МГц. Следующие поколения SLDRAM должны работать на частотах 400 МГц и выше, то есть обеспечивать эффективную частоту более 800 МГц.

К одному контроллеру можно подключить до 8 микросхем памяти. Чтобы из­бежать запаздывания сигналов от микросхем, более удаленных от контроллера, временные характеристики для каждой микросхемы определяются и заносятся в ее управляющий регистр при включении питания.

Микросхемы ESDRAM. Это синхронная версия EDRAM, в которой использу­ются те же приемы сокращения времени доступа. Операция записи в отличие от чтения происходит в обход кэш-памяти, что увеличивает производительность ESDRAM при возобновлении чтения из строки, уже находящейся в кэш-памяти. Благодаря наличию в микросхеме двух банков простои из-за подготовки к опера­циям чтения/записи сводятся к минимуму. Недостатки у рассматриваемой мик­росхемы те же, что и у EDRAM - усложнение контроллера, так как он должен.читывать возможность подготовки к чтению в кэш-память новой строки ядра. Кроме того, при произвольной последовательности адресов кэш-память задействуется неэффективно.

Микросхемы CDRAM. Данный тип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi, и его можно рассматривать как пересмотренный вариант ESDRAM, свободный от некоторых ее несовершенств. Изменены емкость кэш-памяти и принцип размеще­ния в ней данных. Емкость одного блока, помещаемого в кэш-память, уменьшена до 128 бит, таким образом, в 16-килобитовом кэше можно одновременно хранить копии из 128 участков памяти, что позволяет эффективнее использовать кэш-па­мять. Замена первого помещенного в кэш участка памяти начинается только после заполнения последнего (128-го) блока. Изменению подверглись и средства доступа. Так, в микросхеме используются раздельные адресные шины для статического кэша и динамического ядра. Перенос данных из динамического ядра в кэш-память со­вмещен с выдачей данных на шину, поэтому частые, но короткие пересылки не снижают производительности ИМС при считывании из памяти больших объе­мов информации и уравнивают CDRAM с ESDRAM, а при чтении по выбо­рочным адресам CDRAM явно выигрывает. Необходимо, однако, отметить, что вышеперечисленные изменения привели к еще большему усложнению кон­троллера памяти.

ПЗУ с электрическим стиранием

ПЗУ с УФ стиранием

ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым излучением в настоящее время наиболее широко используются в микропроцессорных системах. В БИС таких ПЗУ каждый бит хранимой информации отображается состоянием соответствующего МОП-транзистора с плавающим затвором (у него нет наружного вывода для подключения). Затворы транзисторов при программировании «1» заряжаются лавинной инжекцией, т.е. обратимым пробоем изолирующего слоя, окружающего затвор под действием электрического импульса напряжением 18 – 26 В. Заряд, накопленный в затворе, может сохраняться очень долго из-за высокого качества изолирующего слоя. Так, например, для ППЗУ серии К573 гарантируется сохранение информации не менее 15 – 25 тысяч часов во включенном состоянии и до 100 тысяч часов (более 10 лет) - в выключенном.

Они позволяют производить как запись, так и стирание (или перезапись) информации с помощью электрических сигналов. Для построения таких ППЗУ применяются структуры с лавинной инжекцией заряда, аналогичные тем, на которых строятся ППЗУ с УФ стиранием, но с дополнительными управляющими затворами, размещаемыми над плавающими затворами. Подача напряжения на управляющий затвор приводит к рассасыванию заряда за счет туннелирования носителей сквозь изолирующий слой и стиранию информации. По этой технологии изготовляют микросхемы К573РР2.

Достоинства ППЗУ с электрическим стиранием: высокая скорость перезаписи информации и значительное допустимое число циклов перезаписи - не менее 10000.

15.2.1 Статические ОЗУ

Рассматриваемые типы запоминающих устройств (ЗУ) применяются в компьютерах для хранения информации, которая изменя­ется в процессе вычислений, производимых в соответствии с программой, и называются оператив­ными (ОЗУ). Информация, записанная в них, раз­рушается при отключении питания.

Главной частью ЗУ является накопитель, состоящий из триггеров

Рисунок 4.6 – Матрица ЗУ

Накопитель двухкоордииатпого ЗУ состоит из нескольких матриц (Рисунок 4.6), количество которых определяется числом разрядов записываемого слова. Запоминаю­щие элементы(ЗЭ) одной матрицы расположены на пересечении адресных шин Х строк и Y столбцов, имеют одну общую для всех элементов разрядную шину. В ЗЭ одной матрицы записываются одноимен­ные разряды всех слов, а каждое слово - в идентично расположенные запоминающие элементы ЗЭ i , всех матриц, составляющие ячейку памяти. Таким обра­зом, в двухкоординатное четырехматричное ЗУ, матрицы которого содержат по 16 запоминающих элемен­тов (рис. 4), можно записать 16 четырехразрядных слов.

В них запоминающий элемент содержит только один транзисторн. (рис.15-5)

Рисунок 4.7 – Элемент динамической ОЗУ

Информация в таком элементе хранится в виде заря­да на запоминающем конденсаторе, обкладками которо­го являются области стока МОП-транзистора и подлож­ки. Запись и считывание ннформаини производятся пу­тем открывания транзистора по затвору и подключения тем самым заноминаюшей емкости к схеме усилителя-регенератора. Последний, по существу является триггерным элементом,который В зависимости от предварительной подготовки или принимает (счи­тывает) цнформацию из емкоетной запоминающец ячейки, устаиавливаясь при этом в состояние 0 пли 1,или, наоборот, в режиме записи соотвегствующим образом заряжает ячейку, будучи иредварительно установленным в 0 нли 1

В режиме чтения триггер усилителя - регенератора в иачале специальным управляющим сигналом устанав­ливается в неустойчивое равновесное состояние, из которого при подключении к нему запоминающей емкости

он переключается в 0 или I. При этом в начале он по­требляет часть заряда, а затем при установке в усгойчивое состояние, возвращает его ячейке осуществляя таким образом регенерацию ее состояния. В режиме хранения информации необходимо периодически производить регенерацию для компенсации ес­тественных утечек заряда.максимальный период цикла регенерации для каждой из ячеек обычно составляет 1 - 2 мс.