Вид и организация устройств памяти. Интерфейсы устройств памяти. (ИПУ)

Динамическая память DRAM – называется так по принципу действия ее запоминающих ячеек, которые выполнены в виде конденсаторов, образованных элементами полупроводниковых микросхем. При отсутствии обращения к ячейке со временем за счет токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется, поэтому такая память требует периодической подзарядки конденсаторов путем обращения к каждой ячейке – такая память может работать только в динамическом режиме. Этим она принципиально отличается от статической памяти, реализуемой на триггерных ячейках и хранящей информацию без обращений к ней длительное время. Запоминающие ячейки микросхем DRAM организованы в виде двумерной матрицы. Адреса строки и столбца передаются по мультиплексированной шине адреса и стробируются по спаду импульсов RAS# (Row Access Strobe) и CAS# (Column Access Strobe), т.е. выборки строки или столбца.

Этот вид памяти бывает Асинхронной и Синхронной.

Микросхема синхронной динамической памяти SDRAM (Synchronous DRAM) представляет собой конвейеризированние устройство. По составу сигналов интерфейс SDRAM близок к обычной динамической памяти: кроме входов синхронизации есть мультиплексированная шина адреса, линии RAS#, CAS#, WE#, CS# и линии данных. Все сигналы стробируются по положительному перепаду синхроимпульсов, комбинация управляющих сигналов в каждом такте кодирует определенную команду. С помощью этих команд организуется та же последовательность внутренних сигналов RAS и CAS, которая применяется в памяти FPM.

Статическая память.

Статическая память SRAM способна хранить информацию в статическом режиме долгое время в отсутствии обращений при наличии питающего напряжения. Ячейки статической памяти реализуются на триггерах – элементах с двумя устойчивыми состояниями. По сравнению с динамической памятью эти ячейки более сложные в изготовлении и занимают больше места на кристалле, однако они проще в управлении и не требуют регенерации.

Асинхронная статическая память Async.SRAM является стандартом для статической памяти. Микросхемы этого типа имеют простейший асинхронный интерфейс, включающий шину адреса, шину данных и сигналы управления CS#, OE# и WE#. Микросхема выбирается низким уровнем сигнала CS#(Chip Select), низкий уровень сигнала OE#(Output Enable) открывает выходные буферы для считывания данных, низкий уровень WE#(Write Enable) разрешает запись.

При операции записи управление выходными буферами может производиться как сигналом OE# (цикл 1), так и сигналом WE# (цикл 2). Для удобства объединения микросхем внутренний сигнал CS# может собираться по схеме «И» из нескольких внешних. Время доступа – задержка появления действительных данных на выходе относительно момента установления адреса – у стандартных микросхем SRAM составляет 12,15 или 20 наносекунд, что позволяет процессору выполнять пакетный цикл чтения на частоте системной шины до 33 МГц.

Синхронная статическая память (Sync Burst SRAM), оптимизирована под выполнение пакетных операций обмена, свойственных кэш-памяти. В ее структуру введен внутренний двухбитный счетчик адреса, не позволяющий перейти границу четырехэлементного пакетного цикла. В дополнение к сигналам, характерным для асинхронной памяти, синхронная память использует сигнал CLK для синхронизации с системной шиной и сигналы управления пакетным циклом ADSP#, CADS# и ADV#. Сигналы CADS#(Cache ADdress Strobe) и ADSP# (ADdress Status of Processor), которыми процессор или кэш-контроллер отмечает фазу адреса очередного цикла, являются стробами записи начального адреса цикла во внутренний регистр адреса. Любой из этих сигналов инициирует цикл обращения, одиночный или пакетный, а сигнал ADV#(ADVance) используется для перехода к следующему адресу пакетного цикла. Все сигналы, кроме сигнала управления выходными буферами OE#, синхронизируются по положительному перепаду сигналу CLK. Это означает, что значение входных сигналов должно установиться до перепада и удерживаться после него еще некоторое время. Выходные данные при считывании будут также действительны во время этого перепада. Микросхемы синхронной статической памяти обычно имеют сигнал, выбирающий режим счета адреса: чередование или последовательный счет.

Конвейерно-пакетная статическая память PB SRAM (Pipelined Burst SRAM) – это усовершенствование синхронной памяти. Конвейером является дополнительный внутренний регистр данных, который, требуя дополнительного такта в первой пересылке цикла, позволяет остальные данные получать без тактов ожидания даже на частотах выше 75МГц. Задержка данных относительно синхронизирующего перепада у микросхем PB SRAM составляет 4,5-8 нс.

Энергонезависимая память.

Обобщенное понятие энергонезависимой памяти означает любое устройство, хранящее записанные данные даже при отсутствии питающего напряжения. Существует множество типов энергонезависимой памяти: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory, FRAM, различающихся по своим потребительским свойствам, обусловленным способом построения запоминающих ячеек и сферам применения. Запись информации в энергонезависимую память, называется программированием, обычно сложнее и требует больше затрат времени и энергии, чем считывание. Программирование ячейки – это процедура, в которую может входить подача специальных команд записи и верификации. Основным режимом работы такой памяти является считывание данных, а некоторые типы после программирования допускают только считывание, что обусловило их название ROM (Read Only Memory) или ПЗУ.

Запоминающие ячейки энергонезависимой памяти ассиметричны и позволяют записывать только нули в нужные биты предварительно стерты ячеек, в которых изначально были записаны только единицы. Для стирания ячеек требуются значительные затраты энергии (12-26 В) и эта процедура занимает больше времени, чем сама запись. Стирание ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определенной блока, либо для одного байта. Для однократного программирования (прожига) микросхем (кроме ТТЛ) применяется интерфейс управления. После программирования требуется верификация – сравнение записанной информации с оригиналом. Стирание и программирование микросхем может производиться либо в программаторе, либо в целевом устройстве. Микросхемы различают по способу программирования:

1. Ферроэлектрическая память FRAM – энергонезависимая память с произвольным доступом, запись и чтение осуществляются как в обычных микросхемах статической памяти. Ячейки FRAM по структуре напоминают DRAM, но информация хранится не в виде заряда конденсатора, а в виде напряжения поляризации кристаллов. Запись производится непосредственно, предварительного стирания не требуется. Микросхемы FRAM имеют интерфейс КМОП, питание 5 или 2,7 В. Ячейки FRAM гарантируют 10¹⁰ циклов перезаписи.

2. Микросхемы, программируемые при изготовлении – масочные ПЗУ (ROM), содержимое которых определяется рисунком технологического шаблона. Имеют высокое быстродействие (время доступа 30-70 нс). Однако широкого распространения не получили ввиду сложности модификации содержимого ячеек.

3. Микросхемы, программируемы однократно после изготовления перед установкой в целевое устройство – Программируемые ПЗУ (PROM). Программирование осуществляется прожиганием отдельных элементов в программаторах. Применяются для хранения кодов BIOS и в графических адаптерах. Эти микросхемы не чувствительны к электромагнитным полям, в том числе и к рентгеновскому облучению. Нельзя произвольно изменить содержимое ячеек памяти.

4. Микросхемы, стираемые и программируемые многократно, – Репрограммируемые ПЗУ (EPROM). Также применялись в качестве носителей BIOS как на системных платах, так и в адаптерах, а также использовались в качестве знакогенераторов. Применяются для изготовления микросхем CMOS-памяти емкостью от 2 до 256 Кбайт, время доступа лежит в диапазоне от 50 до 250 нс. Для стирания и программирования в них используется ультрафиолетовое облучение или электрический ток в течение нескольких минут. Для проведения процедуры стирания в корпусе микросхемы имеется окошко. Время стирания зависит от расстояния до источника облучения, его мощности и объема микросхемы. Для программирования применяются специальные программаторы с интерфейсами COM или LPT. Время программирования зависит от типа и объема микросхемы. Например за минуту можно записывать по 8 килобайт информации при использовании LPT-порта на скорости 9600 бод.

5. Микросхемы, перепрограммируемые много кратно в целевом устройстве, используя программу его процессора. К этому классу относятся электрически перепрограммируемые устройства, в том числе и флэш-память. В простейшем случае программирование сводится к записи байта по требуемому адресу, после чего некоторое время микросхема не способна выполнять операции чтения/записи и по другим адресам до окончания выполнения внутренней операции программирования со встроенным стиранием. Микросхемы могут поддерживать режим страничной записи, в котором они принимают поток байт записи смежных ячеек в страничный буфер на скорости интерфейса, после чего вся страница сразу записывается в энергонезависимую память. Размер страничного буфера от 4 до 256 байт. Для процедуры стирания применяется напряжение 12 В.

Флэш-память использует технологию электрического стирания, причем может стирать поблочно либо сразу весь объем памяти. Ячейки флэш-памяти на 30% меньше ячеек DRAM. Каждая ячейка состоит из одного униполярного (полевого) транзистора. Ячейки организованы в матрицу, разрядность данных внешнего интерфейса – 8 или 16 бит. Стертые ячейки содержат единицы, при записи ячейки обнуляются. Напряжение питания 2,7-3,3 В, время доступа при чтении 35-200 нс. Имеется встроенная аппаратная и программная защита от ошибочного стирания/записи.