книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства
..pdfводниковая технология позволяет сформировать запоминающие элементы (ЗЭ), каждому из которых отведена локальная область полупроводника. Регулярная структура расположения однотипных ЗЭ обладает наибольшей плотностью упаковки и обеспечивает максимальную емкость на ограни ченной площади кристалла. Множество разнообразных полупроводнико вых запоминающих устройств, выпускаемых в виде БИС, входит в состав электронных изделий различного назначения.
Конструктивно завершенное ЗУсодержит накопитель в виде массива ЗЭ и устройство управления, обеспечивающее в соответствии с адресом (4о»• ■, А„) операции записи и чтения данных (рис.9.4).
Рис. 9.4. Общая структура полупроводникового ЗУ
Схема управления может занимать до половины площади кристалла БИС ЗУ и включать множество блоков: мультиплексированные регистры хранения адресов и данных, дешифраторы кода адресов строк (DCX) и столбцов (DCy), усилители записи-чтения, формирователи адресных сиг налов, усилители сигналов входных DI и выходных DO данных, логиче ские схемы выборки (CS) и разрешения (W/R).
Накопитель имеет матричную структуру, логическая организация которой обеспечивает возможности доступа к конкретному ЗЭ при двух координатной выборке или группе ЗЭ при однокоординатной выборке (словарная организация). Организация ЗУ отражена в паспортных данных (например, память 256x1 означает ЗУ емкостью 256 бит с произвольной двухкоординатной выборкой одноразрядных данных, а память 32К х 8 оз начает ЗУ емкостью 256 К или 256-1024 бит с записью или считыванием данных 8-разрядными словами, т. е. байтами).
В электронных системах обработки информации используется широ кий набор БИС ЗУ, который разделяют на группы по различным класси фикационным признакам: функциональному назначению, конструктивно технологическому исполнению, структуре и т. д.
По способу организации адресного доступа к ЗЭ различают память с последовательным и произвольным доступом. При последовательной вы борке установлена жесткая очередность обращения к ячейке или группе ЗЭ (слова). Например, в магазинных регистровых ЗУ происходит последо вательное во времени заполнение данными DI, их перемещение и чтение в соответствии с правилами: 1 ) последним вошел - первым вышел {LIFO)
для выходных данных DO,; 2) первым вошел - первым вышел (FIFO) дчя выходных данных DO2 (рис.9.5).
DI С=Д> RG, |
RG2 |
RG„-, RG, |
|
DO,çiz |
|
|
|
с |
_ л _ |
_________________ |
* |
Рис. 9.5. Регистровое ЗУ с последовательным выбором
Все ячейки опрашиваются за период обращения, и повторный выбор возможен только спустя этот интервал времени.
В запоминающих устройствах с прямой произвольной выборкой (ЗУПВ), называемых в зарубежной литературе Random Access Memoiy (RAM), обращение производится непосредственно по заданному адрес и скорости записи и считывания, не зависят от местоположения элемента в накопителе. В некоторых ЗУ осуществляют ассоциативный выбор данных, когда поиск информации производят по ее смыслу, заданному некотор л и признаком.
Если память с предварительно занесенными данными позволяет пр изводить только операцию считывания, то ее относят к ПЗУ (или ROM Read Only Memory). Извлечение данных из запоминающих ячеек мож г сопровождаться их стиранием (однократное чтение) или сохранением со стояния, обеспечивающего возможность многократного чтения.
Важным свойством ЗУ является способность хранения информации при отключении электропитания. Постоянные запоминающие устройства, предназначенные для хранения весьма редко изменяющихся данных, вы полняются энергонезависимыми.
Многие свойства и параметры БИС ЗУ (быстродействие, степень ин теграции, электрическая совместимость, потребляемая мощность) опреде ляются элементной базой ячеек накопителя и устройств управления, кото рые могут быть выполнены по одной или разным технологиям. В докумен тации на изделия памяти схемно-технологические особенности обычно не приводятся, а основное место занимают эксплуатационные параметры.
9.2. Оперативные запоминающие устройства
Оперативное ЗУ предназначено для хранения быстро и непрерывно изменяющихся данных в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Под управлением процессора из ОЗУ считываются данные и код команды, результаты выполнения которой (новые данные) пересылаются и записываются в ОЗУ. Измененные данные могут быть размещены в тех же ячейках памяти, что и исходные, т.е. за цикл обращения к памяти происхо дит обновление содержимого ОЗУ. Такой режим работы обеспечивают ЗУ с произвольной выборкой (RAM), обладающие примерно одинаковыми интервалами времени записи и чтения данных.
Оперативное ЗУ, используемое для размещения выбираемых кодов программных команд и обрабатываемых данных, непосредственно взаимо действует с процессором и определяет скорость выполнения операций вы числительным устройством. Увеличение объема памяти расширяет функ циональные возможности вычислителя, но рост емкости ЗУ влечет за со бой увеличение времени обращения (записи и выдачи данных), что снижа ет производительность системы. Для рациональной организации процесса обработки данных в вычислительных системах используют иерархическую структуру памяти, включающую несколько видов ЗУ разной емкости и бы стродействия:
•оперативную память большого объема для хранения кодов команд и используемых при вычислениях данных (собственно ОЗУ, функ ционирующее в темпе работы магистрали);
•сверхоперативную память небольшой емкости и высокого быстро действия, работающую непосредственно с центральным процессор ным элементом, для хранения промежуточных данных и адресной информации;
•быстродействующее ЗУ небольшого объема, в котором по мере ра боты процессора накапливается наиболее актуальная, т.е. часто ис пользуемая, информация.
Последний вид ЗУ, называемый кэш-памятью (от англ, cache - чтолибо припрятанное), позволяет повысить производительность вычислений за счет быстрого выбора повторяющихся команд и данных (на порядок быстрее, чем из ОЗУ).
Выбор типов ОЗУ и их сопоставление осуществляют с помощью на бора таких свойств и определяющих базовых параметров, как:
•характер хранения (вид доступа, особенности сопряжения с внеш ними устройствами);
•быстродействие (время доступа или частота выборки);
•общая емкость и организация накопителя;
•организация управления данными;
•электрические параметры (напряжение электропитания, потребляе мый ток, уровни логических напряжений и токов);
•технологическое и конструктивное исполнение (элементная база, тип корпуса);
•условия эксплуатации (температура, влажность).
Параметры ОЗУ существенно зависят от технологии и типа ЗЭ, а также связанных с ними усилителей записи-считывания и схемы управ ляющего устройства. Промышленность выпускает весьма широкую но менклатура БИС ОЗУ, отличающихся основными параметрами и стоимо стью, предоставляющих возможность построения различных систем памя ти и удовлетворяющих заданным требованиям.
Микросхема ОЗУ (рис.9.6,а) содержит на одном кристалле:
•накопитель, т.е. матрицу запоминающих элементов Э7*, соединен^ ных с адресными шинами;
•усилители записи-считывания W/R\
•регистр адресов (Æg/4);
•дешифраторы выбора сторон (DCX) и столбцов (DQ);
•управляющие устройства (УУ).
Рис. 9.6. Структура ОЗУ (я) и его обозначение (6)
При поступлении на микросхему внешнего разрешающего сигнала выбора кристалла (Chip Select) CS = 1 адрес заданной ячейки (или слова, включающего группу ячеек) поступает на вход регистра адреса, а оттуда подается на дешифраторы строк и столбцов. Последний в соответствии с сигналом W/R подключает к вертикальным шинам один из усилителей за писи-чтения, осуществляя операции приема или выдачи сигнала.
Конструктивно завершенная БИС ЗУ (рис.9.6,б) оснащена внешними выводами для подключения к шинам данных, адреса и управления. Увели чение информационной емкости ЗУ требует наращивания числа адресных линий, что не всегда возможно при ограниченном количестве внешних вы водов корпуса микросхемы. Это приводит к необходимости передачи ад реса в два приема: вначале адреса строки, а затем адреса столбца, что уменьшает быстродействие устройства.
Выбор запоминающего элемента 3 rj и обращение к нему для записи считывания данных происходят по одной и той же структурной схеме, приведенной на рис.9.7,а. Процесс записи данных U0 или V х в ячейку 3 осуществляется при подаче единичных уровней напряжения на соответст вующие шины дешифраторов Uxr= U 1и Uyj = U 1, что приводит к замыка нию ключей Кх и Ку (рис.9.7,б). Первые подключают выходы элемента Э к шинам данных ü f и Dj\ а вторые готовят их соединение с усилителями за писи-чтения.
Рис. 9.7. Схема выбора элемента (а) и временные диаграммы (б)
Усилители выполнены по схеме с тремя состояниями, которыми управляет сигнал V: при V = U 1 выходной сигнал усилителя повторяет входной, при V= U° выход переходит в высокоимпедансное состояние, по зволяющее использовать единственную шину данных в режимах записи и чтения.
Для записи в ЗЭ единичного сигнала и \ поданного на вход DI, на вход разрешения записи W/R задают напряжение Uw = U \ при поступле нии которого логическая схема формирует сигнал V= U \ переводящий в активное состояние усилитель записи (одновременно противоположным сигналом выходы усилителя воспроизведения переводятся в разомкнутое состояние). Запись происходит при подаче сигнала выбора кристалла Ucs = U 1длительностью т, смещенного на интервал t3относительно вре мени начала адресного сигнала. Интервалы времени назначаются таким образом, чтобы исключить сбои в работе вследствие переходных процес сов в тракте записи сигнала. Сигнал CS - 1 вызывает замыкание ключа КС9 приводящее к подключению выхода усилителя записи через шины данных
кзапоминающему элементу.
Врежиме считывания данных порядок подачи управляющих сигна лов такой же, но при установке на входе W/R нулевого уровня напряжения Uw = U° логическая схема активизирует усилитель чтения, входы которого подключаются к шинам данных. Быстродействие ЗУ, т.е. длительность
процессов записи и чтения данных, определяется суммарной задержкащ сигналов во всех элементах тракта.
Микросхемы ОЗУ по способу хранения данных (типу ЗЭ) делятся на две группы:
•статические (SRAM), использующие бистабильные тригерные элементы хранения;
•динамические (DRAM) с запоминанием информации на основе на ряда конденсатора.
Ст а т и ч е с к и е ОЗУ имеют накопитель с ЗЭ в виде различных модификаций потенциальных триггеров на биполярных или полевых тран зисторах. При отключении электропитания записанная в ЗЭ информация утрачивается, т.е. статические ОЗУ являются энергозависимыми.
Особенности и параметры различных типов микросхем статических ЗУ определяются в первую очередь технологическими и схемотехниче скими принципами построения ЗЭ накопителя (триггеров). Технология ТТЛШ позволяет получить микросхемы с широким диапазоном значений параметров, характеризующих быстродействие и энергопотребление ЗЭ. Разработка по технологии гг- МДП-триггеров, близких по быстродействию
кэлементам ТТЛШ, обладающих более низким потреблением энергии, за нимающих меньшую площадь и имеющих простой цикл изготовления, привело к их преимущественному использованию в схемах статических ОЗУ. Применяемые КМДП-элементы имеют более сложную технологию изготовления и структуру, обеспечивающую меньшую плотность элемен тов на кристалле, но обладают минимальным потреблением энергии.
Типичный и- МДП-элемент представляет собой статический RS'- триггер на транзисторах Т|, Т2 с двумя парафазными совмещенными вхо дами-выходами, которые через ключевые транзисторы Т3, Т4 подключены
кшинам данных (рис. 9.8,о).
Рис. 9.8. Запоминающие элементы статического ОЗУ: о - и-МДП. б - КМДП
Взависимости от сочетания сигналов управления ЗЭ может работать
врежимах хранения, записи или считывания. В режиме хранения напря
жение адресной шины Ux = f/°« 0 и ключевые транзисторы Т3, Т4 находя!' ся в закрытом состоянии, отключив входы (выходы) триггера от шины
данных. В режимах записи и считывания на адресной шине присутствует высокое напряжение UX=U° и ключевые транзисторы открыты. При запи си емкости Си С2заряжаются до заданных на шинах данных напряжений, обеспечивая соответствующее состояние триггера. Аналогично при счи тывании потенциалы выходов триггера поступают на высокоомный вход усилителя, что обеспечивает чтение без разрушения информации.
В некоторых сериях микросхем вместо резисторов R2 используют нагрузочные МДП-транзисторы с каналом п-типа. Схемы с высокоомными резисторами (до 10 9 Ом), полученные на основе поликремния в результате совершенствования технологии, обеспечивают высокий уровень интегра ции и снижение энергопотребления в режиме хранения за счет использо вания пониженного до 2...3В напряжения электропитания или источников импульсного напряжения.
Наименьшим энергопотреблением отличаются статическая память на ЗЭ, выполненных по КМДП-технологии (рис. 9.8,6). В режиме хранения в силу особенностей схемы на взаимодополняющих транзисторах Т„ и Тр(за крытое состояние одного из транзисторов цепочки) потребляемая микро схемой от источника питания мощность снижается примерно на три по рядка. Малое энергопотребление КМДП-триггеров используют для полу чения ОЗУ, сохраняющих записанную информацию при отключении элек тропитания. Для этого в блоке памяти к выводам питания через ключ под ключают резервный источник напряжения (малогабаритный литиевый элемент). При выключении основного питания ключ замыкается и под ключает к блоку буферный источник напряжения.
Микросхемы статического ОЗУ изготавливают, как правило, на не слишком большие емкости (до 1 Мбит) с. временем доступа от 100 до 10нс и менее. Запоминающие устройства меньшей емкости с высоким быстродей ствием применяют в устройствах кэш-памяти. Запоминающая ячейка нако пителя статического ОЗУ на потенциальных триггерах не обеспечивает вы сокой степени интеграции и большой информационной емкости. Отказ от триггерных ячеек хранения данных (переход к динамическим способам) приводит к существенному увеличению плотности упаковки элементов, росту информационной емкости и снижению стоимости микросхем ЗУ.
Д и н а м и ч е с к у ю я ч е й к у памяти можно получить, если убрать из схемы триггерного ЗЭ нагрузочные резисторы Ru Ri вместе с источником электропитания V, а для хранения данных использовать заряды конденсато ров «сток-исток» С| = С2 = С. При этом высокое II х и низкое U 0напряже ния и соответствующие им заряды q]= C lf и q°= CU° обозначают символа ми 1 и 0. Запись информации в полученный ЗЭ можно осуществлять так же, как в триггерную ячейку. Процесс считывания заключается в фиксации уси лителем чтения изменения зарядов емкостей при их подключении через от крытые ключевые транзисторы к шинам данных. Изменение первоначаль ного заряда емкости означает разрушение информации при воспроизведе
нии. В режиме хранения при отключении емкостей от шин данных проис ходит их разряд через проводимости «затвор-исток» и выравнивание на пряжений, т.е. постепенное стирание записанной информации.
Существует несколько вариантов построения емкостной запоми нающей ячейки (ЗЯ), отличающихся числом транзисторных ключей и тех нологией изготовления. В большинстве случаев запоминающий конденса тор и ключевые транзисторы формируют с использованием МДГ1технологии и-типа, обеспечивающей небольшие размеры ячейки, высокое быстродействие и малые токи утечки.
Разрушение информации, хранимой в виде заряда конденсатора, тре бует проведения ее периодического восстановления (регенерации данных). Поскольку режим считывания также приводит к стиранию данных, то обя зательной операцией при чтении является их восстановление по всех ЗЭ, подключенных к выбранной строке. Фактически режим регенерации вхо дит в единый цикл считывания-восстановления.
Создание динамических БИС ОЗУ большой емкости с высокой сте пенью интеграции потребовало оптимизации схемы ЗЭ и уменьшения чис ла шин. Для минимизации площади разработан однотранзисторный ЗЭ. структура которого совмещает запоминающий конденсатор Ç*, ключевой транзистор Т и выводы шин адреса А" и данных D (рис.9.9,я).
Si* |
Al (D) |
Si* |
Si02 |
|
|
9 q ~ _ | |
А . |
п+ ________ п+ |
|
а) |
p-Si |
X |
T |
D |
|
|
|
||
|
|
|
|
б) |
Сх~ |
T |
Со |
.0 |
|
Рис. 9.9. Структура (о) и эквивалентная схема (б) однотранзисторного ЗЭ
Вприведенной структуре исток и сток транзистора образуют области
п, причем сток имеет контакт с металлической шиной данных D. Затвором служит слой поликремния Si*, выполняющий функции шины X адреса строки. Одной обкладкой конденсатора Сх служит слой поликремния, об разующий общую конденсаторную шину 0, а другой - область п истока.
При записи импульс выборки Ux =Ul, поданный на адресную шину Ху открывает ключевой транзистор и на конденсаторе создается напряже ние, установленное на шине данных D (рис.9.9,б). Одновременно в осталь ных элементах выбранной строки может выполняться регенерация. В ре
жиме хранения напряжение на адресной шине Ux =U° « 0 обеспечивает за крытое состояние транзистора, отключающего конденсатор от шины дан ных. В режиме считывания предварительно на шине данных, имеющей ем кость Со, устанавливают опорное напряжение Uo из условия U 0 < Uo < U 1 При поступлении на адресную шину X импульса выборки Ux =U1емкости
Со и Cv оказываются соединенными через сопротивление канала открыто го транзистора. В результате на шине данных устанавливается напряжение UD = CJo +АU при наличии записанной единицы или LJ°D - UD~~AU в про тивоположном случае. Сравнительно небольшое приращение напряжения
AU ^(U D-U °)C X/CDфиксируется чувствительным усилителем чтения.
При считывании и хранении записанная информация разрушается и необходима ее регенерация. Она осуществляется одновременно для всей строки путем считывания данных из ячейки памяти и последующей их пе резаписи. Типичное значение периода регенерации составляет единицы миллисекунд.
Свойства динамического ОЗУ зависят от параметров ЗЭ, основными из которых являются емкость запоминающего конденсатора и площадь, занимаемая элементом. Рациональная структура содержит транзистор с вертикальным каналом и конденсатор, расположенный под транзистором. Информационная емкость БИС динамических ОЗУ более чем на порядок превышает емкость статических. Вместе с тем для них требуется схема ре генерации данных, а также усложняется система управления. Динамиче ские элементы памяти потребляют энергию только при переходных режи мах (записи, считывания, регенерации), поэтому динамические ОЗУ эко номичнее статических, так как в основном характеризуются мощностью, потребляемой схемами управления.
9.3. П остоянны е запоминаю щ ие устройства
Постоянные ЗУ занимают особое место в иерархической структуре памяти. Записанная в них информация не теряется при отключении элек тропитания, т. е. они являются энергонезависимыми. Необходимость в та кой памяти существует в любой вычислительной системе. Компьютер должен иметь небольшое по объему ЗУ для хранения программ начальной загрузки и системы ввода-вывода BIOS (Basic Input/Output System), обеспе чивающей взаимодействие с внешними устройствами. В компьютерах ПЗУ используются для хранения микропрограмм, постоянных массивов (посто янных коэффициентов), табличных значений и т.п. В управляющих вычис лительных устройствах и микроконтроллерах программное обеспечение может быть полностью размещено в ПЗУ.
Постоянная память предназначена для хранения информации, кото рая не изменяется в ходе выполнения программы вычислений. В процессе работы ее можно только считывать, что позволяет существенно упростить структуру запоминающих ячеек накопителя, а также схему устройства управления. Это гарантирует обеспечение таких достоинств ПЗУ, как низ кая потребляемая мощность, достаточное быстродействие и высокая экс плуатационная надежность.
Микросхема ПЗУ содержит матрицу запоминающих элементов (на копитель), дешифратор, усилители-формирователи. Записанным данным соответствует наличие (значение 1 ) или отсутствие (значение 0) диода на пересечении горизонтальных шин строки с вертикальными выходным i шинами (рис.9.10).
DO
При подаче на вход дешифратора кода адреса (например, 10) на шине Х2 устанавливается высокое напряжение С/1, приводящее к отпира нию диодов, присоединенных к выбранной шине, и появлению высокого напряжения на соответствующих вертикальных шинах (К3, }у, которое создает на выходе сигнал 1100.
При большой информационной емкости накопителя и множестве разрядных шин проявляются недостатки матрицы диодных ЗЭ:
•значительный ток утечки через множество обратно смещенных дио дов, который может привести к нарушению работоспособности;
•невысокое быстродействие, обусловленное перезарядкой емкостей шины данных;
•большая нагрузка выходов дешифратора, выдающих при больших ко эффициентах разветвления сигналы непосредственно на усилители. Для улучшения параметров ЗУ в элементах используют биполярные
(рис.9Л 1,дг) или МДП-транзисторы (рис.9.11,6).
/б
я) |
CD |
|
Рис. 9.11. Транзисторные биполярные (а) и полевые (б) ЗЭ
Биполярные транзисторы обеспечивают высокое быстродействие за счет быстрого разряда емкости CD большим эмиттерным током, но характеризуются повышенным потреблением базового тока по цепи управления. МДП-транзисторы имеют весьма малое значение тока затвора (цепи управления) и более технологичны в изготовлении.
Энергонезависимость ПЗУ получается за счет необратимого (или труднообратимого) изменения физических параметров ЗЭ в процессе записи. По способу занесения данных (программирования) различают П3\