РТФ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
РТФ
ЭВМ и периферийные
устройства
Авторы курса лекций:
Хмелевский Игорь Васильевич, канд.техн.наук., доцент кафедры
«Автоматика и телемеханика»,
Шегал Анна Айзиковна, канд.техн.наук., доцент кафедры «Технологии
и средства связи» УГТУ-УПИ
Екатеринбург 2008
Лекция 11
Полупроводниковые
микросхемы ОЗУ и ПЗУ
4
Цели изучения
Рассмотрение классификации и основных
параметров микросхем (БИС) ОЗУ.
Изучение особенностей построения
статических БИС ОЗУ .
Рассмотрение основ построения и
развития динамических синхронных и
асинхронных микросхем ОЗУ
Изучение основ построения микросхем
ПЗУ
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
5
Содержание
1. Классификация и типовые параметры микросхем ОЗУ
Типы технологий: канальные и биполярные, используемые при
изготовлении БИС ОЗУ. Запоминающие элементы статических и
динамических микросхем ОЗУ. Параметры микросхем ОЗУ
2. Основы построения статических микросхем ОЗУ
Топологии построения запоминающего массива БИС ОЗУ. Структурная
организация. Циклы работы. Графическое обозначение (УГО).
Номенклатура и параметры современных микросхем.
3. Основы построения и развития структуры
динамических микросхем памяти (ДБИС ОЗУ)
Асинхронные микросхемы FPM, EDO, BEDO, синхронные микросхемы.
Структурная организация. Циклы работы. УГО ДБИС ОЗУ. Номенклатура
и параметры современных микросхем.
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
6
Содержание
4. Основы организации и построения запоминающих
элементов энергонезависимых микросхем памяти
Запоминающие элементы однократно программируемых ROM(M),
PROM и репрограммируемых UV- EPROM (с ультрафиолетовым
стиранием), EEPROM ( электрически стираемых) БИС памяти.
Способы стирания информации и программирования. Сравнительная
характеристика, технологии и примеры промышленной реализации.
5. Особенности построения микросхем флэш-памяти
Характеристики накопительных массивов на основе ячеек И-НЕ, ИЛИ
– НЕ. Области применения в ЭВМ.Основные параметры.
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
Основы классификации
полупроводниковых микросхем ОЗУ
По способу организации ЗЭ:
статические. В качестве ЗЭ используется триггер;
динамические. ЗЭ – емкость канального транзистора.
По способу управления :
синхронные;
асинхронные.
По технологиям изготовления:
биполярные;
канальные.
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
7
8
Понятие об организации микросхем ОЗУ
Организация микросхемы ОЗУ - параметр не только
определяющий емкость памяти, но и отражающий структуру
ячейки памяти.
Примеры задания параметра: (2 К х 8), (16К х 1).
Первое число определяет количество ячеек памяти в
микросхеме.
Второе число – количество запоминающих элементов в ячейке
памяти .
Таким образом, по емкости обе микросхемы равны 16 Кбайт
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
Одноразрядный статический ЗЭ,
построенный по канальной (n-МОП)
а) схема , б) вариант нагрузки, реализованной на канальном
транзисторе с нулевым затвором; в) нагрузка реализованная в
виде сопротивления
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
9
Статический ЗЭ полупроводникового
биполярного ЗУ
+E
Rк
Rк
Разрядная
линия Зп / Чт 1
Разрядная
линия Зп / Чт 0
21
11
T1 T2
12
13
23
22
Адресная линия Y
Адресная линия Х
Вх
Вх
Зп 0 Вых Чт 0 Вых
1
1
Вх
Вх
Зп 1 Вых Чт 1 Вых
2
2
Зп0(1) – усилитель записи 0(1);
Чт0(1) – усилитель чтения 0(1)
Рис. 4.10. ЗЭ полупроводникового биполярного ЗУ
ЭВМ и периферийные устройства Принципы построения устройств внутренней памяти
10
11
Микросхемы ОЗУ со структурой 2D
r —число хранимых
слов (ЯП);
m — разрядность
ЯП ( ШД).
n – разрядность
шины адреса (ША)
r =2n
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
Микросхемы ОЗУ со структурой 2DM
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
12
УГО микросхемы статического ОЗУ с
организацией (8Кх8)
CS- выборка кристалла
ОЕ- разрешение вывода
R/W- чтение запись
А, DIO – шины адреса/ данных
Назначение выводов
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
13
Временные диаграммы работы
статических микросхем памяти
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
14
ЗЭ динамической памяти
15
а) электрическая схема; б) конструкция однотранзисторного ЗЭ.
Введены следующие обозначения: ЛЗС – линия записи/
считывания (подключена к истоку); ЛВ – линия выбора (
(подключена к затвору); СЗ – емкость, образованная стоком и
подложкой.
а)
б)
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
16
Структура 3D микросхем динамической памяти
Особенностью динамических ЗУ является мультиплексирование
шины адреса
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
17
Структура микросхемы DRAM с
организацией (4Мх4)
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
Функции контроллера динамической
памяти
принимает от процессора адрес ЯП, к которой
производится обращение и переводит его в
адреса строки и столбца ;
формирует сигналы RAS# и CAS#;
управляет регенерацией динамической памяти.
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
18
Циклы чтения , записи и регенерации
динамической памяти
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
19
УГО микросхемы DRAM с организацией
(4Мх4)
VСС
D0
D1
WE
RAS
NC
A10
A0
A1
A2
A3
VСС
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
VСС
D3
D2
CAS
OE
A9
A8
A7
A6
A5
A4
VSS
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
20
21
Цикл чтения ДБИС типа FPM
В 80-е гг. ХХ в. был предложен ряд вариантов динамических
ОЗУ повышенного быстродействия. Методы, использованные в
этих ОЗУ, основаны на предположении о локальности адресов
при обращениях к ОЗУ.
tдост
RAS#
CAS#
RA
CA1
CA2
CAm
ША
DO1
DO2
DOm
ШД
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
Цикл чтения информации из
динамического ОЗУ типа EDO DRAM
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
22
Цикл чтения информации из
динамического ОЗУ типа ВEDO DRAM
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
23
Многобанковые ДБИС ОЗУ
Расслоение памяти: а — организация адресного пространства; б
— временная диаграмма
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
24
Особенности работы синхронных DRAM
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
25
Запоминающие устройства типа ROM(M),
PROM, EPROM, EEPROM
Массив диодных запоминающих элементов масочного ЗУ (а);
Массив МОП-транзисторных запоминающих элементов (б).
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
26
Запоминающие устройства типа PROM
27
ЗЭ проектируется в виде диода с плавкой перемычкой (а), или
пары диодов (б).
Программирование ЗУ типа PROM производится при помощи
специальных устройств – программаторов при напряжении (20-30) в.
Дополнительные элементы ЗУ типа PROM занимают на кристалле
относительно много места, поэтому уровень интеграции таких ЗУ
существенно ниже, чем у масочных ЗУ.
К недостаткам ЗУ типа(а) можно отнести следующее: не все
перемычки удается пережечь надлежащим образом; они менее
надежны, чем ЗУ типа (б).
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
ЗУ типа UV-EPROM, EEPROM
Структура МНОП-транзистора (а) ;
Структура ЛИЗМОП-транзистора (б).
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
28
29
Выводы
1. В настоящее время в ЭВМ используются
быстродействующие синхронные статические и динамические
микросхемы памяти .
2. Синхронные микросхемы реализуют конвейер операций при
обращении к памяти, поэтому имеют повышенное
быстродействие по сравнению с асинхронными БИС ОЗУ.
3. Для нормальной работы динамических микросхем помимо
циклов чтения и записи необходим цикл регенерации памяти.
4. Современные статические микросхемы памяти обладают
максимальным быстродействием, большой емкостью и
используются для построения кэш- памяти ЭВМ.
5. Динамические микросхемы памяти имеют максимальную
емкость при высоком быстродействии и применяются для
построения основной памяти (ОЗУ) ЭВМ.
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
Выводы
6. В настоящее время однократно программируемая и
репрограммируемая память ROM используются для
реализации резидентных ПЗУ однокристальных
микроконтроллеров.
7. Масочные микросхемы - ROM(M), самые дешевые и надежные,
применяются в серийно выпускаемых приложениях.
8. Однократно программируемая пользователем память
значительно дешевле репрограммируемой, но ошибка в записи
любого бита БИС PROM приводит к ее отказу .
9. Микросхемы UV- EPROM стираются целиком, а EEPROM могут
стираться побайтно и выдерживают больше циклов перезаписи
( до 10000).
10.Флэш-память ( используется как BIOS в ПК) является
дальнейшим развитием технологии EEPROM, стирается
небольшими блоками информации и записывается в режиме
применения.
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
30
31
Информационное обеспечение лекции
Литература по теме:
Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебное
пособие / Е.П. Угрюмов. СПб. : БХВ – Петербург,
2000.
Таненбаум Э. Архитектура компьютера. / Э.
Таненбаум . СПб.: «Питер», 2002.
Степанов А.Н. Архитектура вычислительных систем
и компьютерных сетей ЭВМ: учебное пособие / А.Н.
Степанов. СПб: «Питер», 2007.
ЭВМ и периферийные устройства Лекция 11. Полупроводниковые микросхемы ОЗУ и ПЗУ