ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Для хранения информации в микропроцессорных системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в состав других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных – это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры различных устройств.

Для создания элементов запоминающих устройств, в основном, применяют СБИС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе кремния (в связи с тем, что в качестве диэлектрика чаще всего используют его оксид Si0₂, то их обычно называют МОП (металл-оксид-полупроводник) структурами.

Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие как оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), так и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым.

Степень интеграции, быстродействие, электрические параметры ЗУ при записи и хранении информации, помехоустойчивость, долговременная стабильность, стабильность к внешним неблагоприятным факторам при функционировании и т.д. зависят от физических принципов работы приборов, применяемых материалов при производстве ИМС и параметров технологических процессов при их изготовлении.

Физические процессы, протекающие в изделиях микроэлектроники (и в микросхемах памяти тоже), технология изготовления и конструктивные особенности ИМС высокой степени интеграции могут влиять на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и систем. Естественно, уменьшение геометрических размеров транзисторов приводит к увеличению электрических полей, особенно в районе стока. Это может привести к развитию лавинного пробоя и, как следствие, к изменению выходной ВАХ МОП транзистора: – включению паразитного биполярного транзистора (исток-подложка-сток); – неравномерному заряжению диэлектрика у стока; – деградации приповерхностной области полупроводника; – пробою диэлектрика.

Основные характеристики полупроводниковой памяти. Полупроводниковая память имеет большое число характеристик и параметров, которые необходимоучитывать при проектировании систем:

1) Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M – число слов, N – разрядность слова. Например, кристалл емкостью 16 Кбит может иметь различную организацию: 16 Кx1, 4 Кx2 Кx8. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

2) Временные характеристики памяти. Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время восстановления – это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША – адрес, с ШУ – сигнал "чтение" или "запись" и с ШД – данные.

3) Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

4) Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме. Наибольшее потребление энергии, не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти.

5) Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП-памяти.

6) Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие.

Постоянные запоминающие устройства. Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.

Полевой транзистор с плавающим затвором. Конструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1 МОП транзистор с плавающим затвором

Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:

- или сквозь потенциальный барьер Si-SiO₂ путем квантовомеханического туннелирования;

- или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неоднородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти. МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO₂ (Fe = 3,2 эВ). Fe – высота потенциального барьера. Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.

Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:

- ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5,1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;

- подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему.

В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 10⁵.

Оперативные запоминающие устройства. Полупроводниковые ЗУ подразделяются на ЗУ с произвольной выборкой и ЗУ с последовательным доступом. ЗУПВ подразделяются:

- на статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ);

- динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ).

ЗУ с последовательным доступом подразделяются:

- на регистры сдвига;

- приборы с зарядовой связью (ПЗС).

В основе большинства современных ОЗУ лежат комплементарные МОП ИМС (КМОП), которые отличаются малой потребляемой мощностью. Это достигается применением пары МОП транзисторов с разным типом канала: n-МОП и p-МОП. Как видно на рис. 4.2, в КМОП инверторе как при низком, так и при высоком уровне сигнала на входе один из транзисторов закрыт. Поэтому потребление энергии происходит только при переключении "1"R"0" (и обратно).

Как известно, быстродействие МОП транзисторов, в первую очередь, ограничивается большой входной емкостью затвор-исток (подложка). Уменьшение геометрических размеров приборов (площади затвора и длины канала) при увеличении степени интеграции увеличивает граничную частоту.

Малое потребление энергии позволяет использовать КМОП ИМС с питанием от микробатареи как ПЗУ, где располагается часть операционной системы, которая осуществляет начальную загрузку всей системы (программа Setup).

Статические запоминающие устройства. Элементарной ячейкой статического ОЗУ с произвольной выборкой является триггер на транзисторах Т1-Т4 (рис. 4.2) с ключами Т5-Т8 для доступа к шине данных. Причем Т1-Т2 – это нагрузки, а Т3-Т4 – нормально закрытые элементы.

Рис. 4.2 Ячейка статического ОЗУ

Сопротивление элементов Т1-Т2 легко регулируется в процессе изготовления транзистора путем подгонки порогового напряжения при легировании поликремниевого затвора методом ионной имплантации. Количество транзисторов (6 или 8) на ячейку зависит от логической организации памяти микропроцессорной системы.

Динамические запоминающие устройства. В отличие от статических ЗУ, которые хранят информацию пока включено питание, в динамических ЗУ необходима постоянная регенерация информации, однако при этом для хранения одного бита в ДОЗУ нужны всего один-два транзистора и накопительный конденсатор (рис. 4.3, рис. 4.4). Такие схемы более компактны.

Рис. 4.3 Запоминающая ячейка динамического ОЗУ

Рис. 4.4 Конструкция ячейки ДОЗУ. Снизу представлен разрез схемы по линии А-А

Естественно, что в микросхеме динамического ОЗУ есть один или несколько тактовых генераторов и логическая схема для восстановления информационного заряда, стекающего с конденсатора. Это несколько "утяжеляет" конструкцию ИМС.

Чаще всего и СОЗУ, и ДОЗУ выполнены в виде ЗУ с произвольной выборкой, которые имеют ряд преимуществ перед ЗУ с последовательным доступом.

Запоминающие устройства с произвольной выборкой. На рис. 4.5 показано обозначение ЗУПВ и его внутренняя структура.

Рис. 4.5 ОЗУ с произвольной выборкой: а – ОЗУ 16x4 бит; б – ОЗУ 64Кx1 (КР565РУ5)

Здесь: D1-Dn (справа D1) – информационные входы; Q1-Qn (справа DO) – инверсные выходы; A1 - An – адресные входы; WE# – запись/чтение; CS# (Chip Select) – выбор кристалла; CAS# (Column Address Strobe) и RAS# (Row Address Strobe) – сигнал выборки столбца и строки соответственно.

Представленное здесь ЗУПВ – это ДОЗУ с организацией хранения информации 65536 бит на 1 разряд. Накопительная матрица с однотранзисторными запоминающими элементами имеет размер 512x128. Для уменьшения количества задействованных ножек у ИМС (16-входовый DIP корпус) применена мультипликация адреса, что видно на рис. 4.5 по наличию отдельных дешифраторов строк и столбцов. Устройство управления включает два генератора тактовых сигналов и генератор сигналов записи и обеспечивает четыре режима работы: записи, считывания, регенерации и мультипликации адреса. Время регенерации – 2 мс.

Буферная память. В вычислительных системах используются подсистемы с различным быстродействием и, в частности, с различной скоростью передачи данных (рис. 4.6). Обычно обмен данными между такими подсистемами реализуется с использованием прерываний или канала прямого доступа к памяти. В первую очередь, подсистема 1 формирует запрос на обслуживание по мере готовности данных к обмену. Однако обслуживание прерываний связано с непроизводительными потерями времени, и при пакетном обмене производительность подсистемы 2 заметно уменьшается. При обмене данными с использованием канала прямого доступа к памяти подсистема 1 передает данные в память подсистемы 2. Данный способ обмена достаточно эффективен с точки зрения быстродействия, но для его реализации необходим довольно сложный контроллер прямого доступа к памяти.

Рис. 4.6 Применение буферной памяти

Наиболее эффективно обмен данными между подсистемами с различным быстродействием реализуется при наличии между ними специальной буферной памяти. Данные от подсистемы 1 временно запоминаются в буферной памяти до готовности подсистемы 2 принять их. Емкость буферной памяти должна быть достаточной для хранения тех блоков данных, которые подсистема 1 формирует между считываниями их подсистемой 2. Отличительной особенностью буферной памяти является запись данных с быстродействием и под управлением подсистемы 1, а считывание – с быстродействием и под управлением подсистемы 2 ("эластичная память"). В общем случае память должна выполнять операции записи и считывания совершенно независимо и даже одновременно, что устраняет необходимость синхронизации подсистем. Буферная память должна сохранять порядок поступления данных от подсистемы 1, т.е. работать по принципу "первое записанное слово считывается первым" (First Input First Output – FIFO). Таким образом, под буферной памятью типа FIFO понимается ЗУПВ, которое автоматически следит за порядком поступления данных и выдает их в том же порядке, допуская выполнение независимых и одновременных операций записи и считывания. На рис. 4.7 приведена структурная схема буферной памяти типа FIFO емкостью 64x4.

Рис. 4.7 Структурная схема буфера 64x4

На кристалле размещены 64 4-битных регистра с независимыми цепями сдвига, организованных в 4 последовательных 64-битных регистра данных, 64-битный управляющий регистр, а также схема управления. Входные данные поступают на линии DI0-DI3, а вывод данных осуществляется через контакты DO0-DO3. Ввод (запись) данных производится управляющим сигналом SI (shift in), а вывод (считывание) – сигналом вывода SO (shift out). Ввод данных осуществляется только при наличии сигнала готовности ввода IR (input ready), а вывод – при наличии сигнала готовности вывода OR (output ready). Управляющий сигнал R (reset) производит сброс содержимого буфера.

При вводе 4-битного слова под действием сигнала SI оно автоматически передвигается в ближайший к выходу свободный регистр. Состояние регистра данных отображается в соответствующем ему управляющем триггере, совокупность триггеров образует 64-битный управляющий регистр. Если регистр содержит данные, то управляющий триггер находится в состоянии 1, а если регистр не содержит данных, то триггер находится в состоянии 0. Как только управляющий бит соседнего справа регистра изменяется на 0, слово данных автоматически сдвигается к выходу. Перед началом работы в буфер подается сигнал сброса R и все управляющие триггеры переводятся в состояние 0 (все регистры буфера свободны). На выводе IR формируется логическая 1, т.е. буфер готов воспринимать входные данные. При действии сигнала ввода SI входное слово загружается в регистр P1, а управляющий триггер этого регистра устанавливается в состояние 1: на входе IR формируется логический 0. Связи между регистрами организованы таким образом, что поступившее в P1 слово "спонтанно" копируется во всех регистрах данных FIFO и появляется на выходных линиях DO0-DO3. Теперь все 64 регистра буфера содержат одинаковые слова, управляющий триггер последнего регистра P64 находится в состоянии 1, а остальные управляющие триггеры сброшены при передаче данных в соседние справа регистры. Состояние управляющего триггера P64 выведено на линию готовности выхода OR; OR принимает значение 1, когда в триггер записывается 1. Процесс ввода может продолжаться до полного заполнения буфера; в этом случае все управляющие триггеры находятся в состоянии 1 и на линии IR сохраняется логический 0.

При подаче сигнала SO производится восприятие слова с линий DO0-DO3, управляющий триггер P64 переводится в состояние 1, на линии OR появляется логическая 1, а управляющий триггер P64 сбрасывается в 0. Затем этот процесс повторяется для остальных регистров, и нуль в управляющем регистре перемещается ко входу по мере сдвига данных вправо.

В некоторых кристаллах буфера FIFO имеется дополнительная выходная линия флажка заполнения наполовину. На ней формируется сигнал 1, если число слов составляет более половины емкости буфера.

Рассмотренный принцип организации FIFO допускает выполнение записи и считывания данных независимо и одновременно. Скорость ввода определяется временным интервалом, необходимым для передачи данных из P1, а выводить данные можно с такой же скоростью. Единственным ограничением является время распространения данных через FIFO, равное времени передачи входного слова на выход незаполненного буфера FIFO. Оно равняется произведению времени внутреннего сдвига и числа регистра данных. В буферах FIFO, выполненных по МОП-технологии и имеющих емкость 64 слова, время распространения составляет примерно 30 мкс, а в биполярных FIFO такой же емкости – примерно 2 мкс. Буферы можно наращивать как по числу слов, так и по их длине.

Стековая память. Стековой называют память, доступ к которой организован по принципу: "последним записан – первым считан" (Last Input First Output – LIFO). Использование принципа доступа к памяти на основе механизма LIFO началось с больших ЭВМ. Применение стековой памяти оказалось очень эффективным при построении компилирующих и интерпретирующих программ, при вычислении арифметических выражений с использованием польской инверсной записи. В малых ЭВМ она стала широко использоваться в связи с удобствами реализации процедур вызова подпрограмм и при обработке прерываний.

Принцип работы стековой памяти состоит в следующем (рис. 4.8). Когда слово А помещается в стек, оно располагается в первой свободной ячейке памяти. Следующее записываемое слово перемещает предыдущее на одну ячейку вверх и занимает его место и т.д. Запись восьмого кода после H приводит к переполнению стека и потере кода A.

Считывание слов из стека осуществляется в обратном порядке, начиная с кода H, который был записан последним. Заметим, что выборка, например, кода E невозможна до выборки кода F, что определяется механизмом обращения при записи и чтении типа LIFO. Для фиксации переполнения стека желательно формировать признак переполнения.

Рис. 4.8 Принцип работы стековой памяти

Перемещение данных при записи и считывании информации в стековой памяти подобно тому, как это имеет место в сдвигающих регистрах. С точки зрения реализации механизма доступа к стековой памяти выделяют аппаратный и аппаратно-программный (внешний) стеки.

Аппаратный стек представляет собой совокупность регистров, связи между которыми организованы таким образом, что при записи и считывании данных содержимое стека автоматически сдвигается. Обычно емкость аппаратного стека ограничена диапазоном от нескольких регистров до нескольких десятков регистров, поэтому в большинстве МП такой стек используется для хранения содержимого программного счетчика и его называют стеком команд. Основное достоинство аппаратного стека - высокое быстродействие, а недостаток – ограниченная емкость.

Наиболее распространенным в настоящее время и, возможно, лучшим вариантом организации стека в ЭВМ является использование области памяти. Для адресации стека используется указатель стека, который предварительно загружается в регистр и определяет адрес последней занятой ячейки. Помимо команд CALL и RET, по которым записывается в стек и восстанавливается содержимое программного счетчика, имеются команды PUSH и POP, которые используются для временного запоминания в стеке содержимого регистров и их восстановления соответственно. В некоторых МП содержимое основных регистров запоминается в стеке автоматически при прерывании программ. Содержимое регистра указателя стека при записи уменьшается, а при считывании увеличивается на 1 при выполнении команд PUSH и POP соответственно.