По разновидностям микросхем ПЗУ

- по технологии изготовления кристалла:

- ROM — (англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.

- PROM — (англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.

- EPROM — (англ. erasable programmable read-only memory, перепрограммируемое/репрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ/РПЗУ)). Например, содержимое микросхемы К537РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом.

- EEPROM — (англ. electrically erasable programmable read-only memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. flash memory).

- ПЗУ на магнитных доменах, например К1602РЦ5, имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей. Обеспечивалось неограниченное количество циклов перезаписи.

- NVRAM, non-volatile memory — «неразрушающаяся» память, строго говоря, не является ПЗУ. Это ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой. В СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы, выпустившей их на рынок. В NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена.

- по виду доступа:

- с параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространствеОЗУ. Например, К573РФ5;

- с последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A.

- по способу программирования микросхем (записи в них прошивки):

- непрограммируемые ПЗУ;

- ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.

(2-14-4/6)

- внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) — такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом.

Операти́вная па́мять (англ. Random Access Memory, RAM, память с произвольным доступом; ОЗУ; комп. жарг. память,оперативка) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся входные, выходные и промежуточные данные; программы процессора.

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:

- непосредственно;

- через сверхбыструю память 0-го уровня — регистры в АЛУ, либо при наличии аппаратного кэша процессора — через кэш.

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ — техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный внешний модуль или располагаться на одном кристалле с процессором, например, в однокристальных ЭВМ или однокристальных микроконтроллерах.

Динамическое ОЗУ. Динамическая оперативная память сохраняет информацию (лог. 1 или 0) на конденсаторе малой емкости, который входит в состав транзисторной ячейки. Размер ячейки ДОЗУ меньше, чем у СОЗУ, так что общая стоимость единицы памяти меньше. Но конденсаторы динамической оперативной памяти должны постоянно подзаряжаться, чтобы сохранять информацию. Это требует более сложной схемы интерфейса.

Статическое ОЗУ. По существу, это триггерное устройство с цифровым управлением, не требующее ни синхронизации, ни регенерации. Информация сохраняется до тех пор, пока имеется питание. СОЗУ имеет достаточно малое время доступа для чтения и записи, параллельную структуру адреса. Наилучшее применение СОЗУ нашла для памяти, имеющей невысокую плотность, но частый доступ, а также кэш-памяти.

Энергонезависимое СОЗУ (NV SRAM) - единственный блок, который содержит СОЗУ с низким энергопотреблением, энергонезависимый контроллер памяти и литиевую батарею. Когда основное питание становится ниже минимально требуемого для поддержания работоспособности СОЗУ, контроллер памяти в модуле переключает электропитание с внешнего источника на внутреннюю литиевую батарею и защищает от записи СОЗУ. Переходы от основного питания к питанию от литиевых батарей, и наоборот, прозрачны для СОЗУ и делают его истинно энергонезависимой памятью. Такая конструкция объединяет статические преимущества адресуемого СОЗУ - высокую скорость доступа, низкие требования по синхронизации с преимуществами энергонезависимой технологии СППЗУ. Если не стоит вопрос стоимости, то СОЗУ-модули с батарейным питанием от DSC являются идеалом для любого приложения, где традиционное СОЗУ было бы подходящим. Энергонезависимое СОЗУ по выводам совместимо с СОЗУ без батарейного питания.

Псевдостатическое ОЗУ - комбинация динамического и статического ОЗУ. По своей природе устройство является "статическим", не требуя регенерации для сохранения данных. Но для этого в ячейку памяти помещается вся требуемая логика регенерации. Как следствие, псевдостатическое ОЗУ имеет низкую плотность и более высокую стоимость, чем ДОЗУ.

Флэш-память объединяет возможность электрического стирания ЭСППЗУ с ячейкой, подобной программируемому СППЗУ. В результате модифицированная ячейка может быть стерта электрически в блоке с другими ячейками. Эта характеристика позволяет флэш-памяти принимать новый код или информацию в системе.

Электрически перепрограммируемая постоянная память (EEPROM). Недостаток электрически стираемой памяти в том, что невозможна перезапись в системе. Для этого требуется программатор с повышенным напряжением от 12,5 В и выше. Если же необходимо использовать источник питания напряжением 5 В, то для этого следует применять более дорогие схемы EEPROM, которые в своем составе имеют преобразователь, позволяющий при 5 В производить стирание старой информации и запись новой. Такие приборы имеют относительно высокое время доступа для чтения/записи. Ячейки EEPROM редко могут иметь число операций стирание/запись более 10 000. Память EEPROM может устанавливаться в системе и доступна как стандартная СОЗУ.

(2-14-5/6)

Стираемая программируемая постоянная память СППЗУ может стираться повышенным напряжением 12,5 В или ультрафиолетовым светом через окошко в верхней части корпуса микросхемы. Обычно эти микросхемы использовались в разработках и потом происходила их замена на более дешевые.

ПЗУ с однократным программированием. Обычно запись данных в ОТР PROM делают один раз. Эти микросхемы памяти одни из самых дешевых.

ПЗУ. Масочное постоянное запоминающее устройство. Является самым надежным хранителем информации. При этом микросхемы памяти не отличаются высоким быстродействием. Если имеется изделие, известны код/данные, то разрабатывается маска и выпускается самая дешевая и надежная память для чтения. Если же вкралась ошибка в информацию, то все запрограммированные микросхемы масочного ПЗУ - брак!

Оценивая указанные в табл. 1 типы памяти, можно отметить следующее. Высокая плотность и низкая стоимость разряда памяти относятся к динамическим ОЗУ. Масочные ПЗУ - наиболее дешевая память только для чтения и не нуждается в подпитке при хранении. Наилучшие показатели у тех типов памяти, которые расположились в середине таблицы. EEPROM обладает многими положительными качествами, но имеет ограниченное число циклов стирание/запись (10 000), длительное время записи и низкая плотность не совсем соответствуют сегодняшнему промышленному спросу.

Для систем, требующих хранения и защиты данных в случае пропадания питания, быстрого доступа чтение/запись, простой схемы управления - наилучшим образом подходят модули энергонезависимой памяти (NV SRAM), выпускаемые корпорацией Dallas Semiconductor (DSC). Рассмотрим данный тип памяти более подробно, поскольку пока по многим показателям (низко потребляемый кристалл СОЗУ, управляющий контроллер питания, литиевая батарейка) он эмулирует почти идеальную память.

Энергонезависимые СОЗУ производства Dallas Semiconductor

Корпорация Dallas Semiconductor является ведущей в мире по технологии производства энергонезависимых статических ОЗУ (NV SRAM). Каждый модуль этих изделий состоит из СОЗУ с низким энергопотреблением, маленькой литиевой батареи и фирменного энергонезависимого чипа управления. Все перечисленные компоненты вместе формируют энергонезависимую память, которая без внешнего питания может сохранять записанную информацию более 10 лет. Время доступа для чтения и записи составляет порядка 70 нс. Все эти особенности подразумевают, что выпускаемые DSC энергонезависимые CОЗУ могут считываться и записываться быстрее неограниченное количество раз и более безопасно, чем любой другой тип энергонезависимой памяти.

Если у потребителя имеются микросхемы СОЗУ и он хочет получить энергонезависимую память, DSC предлагает "разумные" панельки (smart Socket) со встроенными литиевыми батареями и энергонезависимыми чипами управления. Гнезда в панельке двухрядные под корпуса DIP микросхем СОЗУ.

Когда на рынке стали исчезать микросхемы с малым объемом памяти - 2Кх8 и 8Кх8, DSC разработала свои изделия ОЗУ на основе ячейки 6-Т. Типовое значение тока удержания составляет 50 нА! Для вспомогательного питания можно использовать литиевые батарейки, имеют минимальные размеры, а срок хранения данных - более 10 лет при комнатной температуре.

Внутренняя шина данных – служит для магистрального соединения между собой структурных элементов микропроцессора. Разрядность внутренней шины данных, т. е. количество передаваемых по ней одновременно битов числа, соответствует разрядности слов, которыми оперирует микропроцессор в рамках одной команды. В простейшем случае разрядность внутренней и внешней шин данных одна и та же.

Для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств с различным быстродействием современный компьютер использует специальный вид памяти – кэш-память. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством или буфером. Это быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Использование кэш-памяти сокращает число повторных обращений к RAM и к жесткому диску.

 

(2-14-6/6)

Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Внешняя кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти (SRAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем микросхемы динамической памяти DRAM. В SRAM каждый бит информации хранится в триггере. Его состояние остается неизменным до тех пор, пока не будет сделана очередная запись или не будет выключено электропитание. Поэтому регенерация содержимого кэш-памяти не требуется.

В зависимости от организации чтения различают следующие кэши.

В кэше с прямым отображением (direct-mapped) для каждого блока оперативной памяти, имеющего фиксированный размер, выделяется одна строка.

Множественно-ассоциативный (associative) кэш примечателен тем, что для каждого блока оперативной памяти в нем выделяется несколько строк: две – в двухканальном (two-way), четыре – в четырехканальном (four-way) кэше. Это ведет к уменьшению числа промахов, но сам процесс управления кэшем значительно усложняется. Большее, чем четыре, число каналов по причине высокой сложности управления в кэшах не реализуется.

На практике применяются три метода кэширования при записи.

Метод сквозной записи (write through) проще двух других и заключается в том, что данные, передаваемые в оперативную память, записываются непосредственно в нее. Однако если они принадлежат к той строке блока памяти, копия которой находится в кэш-памяти, то одновременно с этим обновляется и копия. Кроме того, описанная техника дает и некоторый выигрыш в скорости обмена, поскольку переданные в оперативную память данные могут в скором будущем процессору снова потребоваться, и, при условии нахождения в кэше, прочитаются из кэша, а не из памяти. Вариантом сквозной записи является «протаскивание» всего потока данных, направляемых в оперативную память, через кэш. Здесь есть как свои преимущества, так и недостатки.

Метод сквозной записи с буферизацией (buffered write through) является развитием предыдущего метода. Его суть заключается в том, что передаваемые в оперативную память данные под контролем процессора заносятся только в кэш, и процессор переходит к выполнению других функций, не связанных с обменом. Организацией записи данных в оперативную память занимается только контролер кэша, причем это делается в наиболее подходящее время. Метод сквозной записи с буферизацией, несомненно, позволяет разгрузить микропроцессор, но никак не шину.

Наибольший эффект достигается при использовании метода обратной записи (write back или write behind), когда данные принудительно записываются только в кэш. Дальнейшая их судьба зависит от многих обстоятельств, в частности от загрузки кэша. Нередки ситуации, когда данные обновляются, так и не побывав в оперативной памяти. Бесспорно, содержимое кэша рано или поздно в оперативную память попадет, но общее количество циклов записи в нее уменьшается, следовательно, разгружается не только микропроцессор, но и шина. Очевидна аналогия рассматриваемого метода с кэшированием при чтении – посылаемые в оперативную память данные попадают в нее не всегда, также как извлекаемые из оперативной памяти данные не всегда микропроцессору требуются.

Понятие линейных преобразователей и передаточных функций (последовательная цепь и её передаточная функция; параллельная цепь и ее передаточная функция; передаточная функция цепи с обратной связью; пример электротехнических аналогов: цепи с активными и реактивными сопротивлениями).

Аналоговые преобразователи можно разбить на две большие группы: линейные преобразования входного сигнала и нелинейные. Линейные преобразователи в свою очередь делятся на полностью аналоговые и аналогово-дискретные. В полностью аналоговых преобразователях входная и выходная величины представлены в аналоговой форме в виде непрерывно изменяющихся электрических сигналов тока или напряжения. Особенностью аналого-дискретных преобразователей является то, что входная и выходная величина не является непрерывной, а изменяется дискретно.

Передаточная функция — один из способов математического описания динамической системы. Используется в основном в теории управления, связи и цифровой обработке сигналов. Представляет собой дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом линейной стационарной системы. Зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.

Передаточная функция последовательного соединения элементов, т.е. системы, состоящей из нескольких элементов, у которых выходная величина одного элемента является входной величиной следующего элемента, и получается непосредственно из передаточных функций элементов. Передаточная функция последовательной цепи представляет собой произведение передаточных функций элементов:

Параллельным соединением звеньев называется такое соединение, при котором на выход всех элементов поступает одно и то же воздействие, а их выходные величины алгебраически суммируются (рис. 13):

Передаточная функция эквивалентного звена, представляющего N параллельно соединенных звеньев, равна сумме передаточных функций этих звеньев.

Встречно-параллельным соединением (или соединение с обратной связью) двух элементов называют такое соединение, при котором выходной сигнал второго элемента поступает на выход второго, а выходной сигнал второго элемента алгебраически суммируется с общим входным сигналом. Схема встречно-параллельного соединения показана на рис.:

 

(2-16-2/2)

Передаточная функция эквивалентного звена при встречно-параллельном соединении звеньев равна отношению передаточной функции звена прямой цепи к знаменателю, представляющему собой алгебраическую сумму единицы и произведения передаточных функций звена прямой цепи и звена обратной связи.

Активное сопротивление - это сопротивление таких элементов, на которых происходит безвозвратное преобразование электрической энергии в другой вид энергии (например, резистор). Обозначается буквой R.

Схема включения в цепь переменного тока активного сопротивления

Реактивное сопротивление - это сопротивление таких элементов, которые создают угол сдвига фаз между током и напряжением (например, катушка индуктивности и конденсатор). Обозначается буквой Х.

 

 

(2-17-1/6) Понятие нелинейных преобразователей (транзисторы, ключи, диодные выпрямители, логические элементы, нейронные сети)

Нелинейные устройства предназначены для преобразования (изменение) формы сигнала и соответствующего изменения его спектра. Нелинейные элементы широкоиспользуются в устройствах переноса спектра (модуляторах), образования новых частотных составляющих (детекторах), а также для линеаризации характеристик датчиков и расши-рения динамического диапазона, регулирования коэффициента усиления и других целей.

К нелинейным относят преобразователи, в которых выходной сигнал связан с входным нелинейной зависимостью . Наибольшее распространение получилифункциональные преобразователи входного напряжения в выходное , реализованные на элементах с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ). Типичной физической структурой, обладающей нелинейной ВАХ, является электрический контакт полупроводников с отличающимися параметрами. На базе p-n переходов получены разнообразные приборы (диоды, динисторы, стабилитроны, транзисторы, тиристоры).

Наибольшее распространение получили нелинейные преобразователи с использованием нелинейности характеристики полупроводникового диода. Непосредственноеиспользование прямой ветви ВАХ, имеющей для напряжений u>> φ _Т близкую к экспоненциальной зависимость тока от напряжения позволяет реализовать логарифмирующий преобразователь. Если задавать ток i, то напряжение определяется соотношением:

,

где I ₀ – тепловой (обратный) ток диода.

Цепь называется нелинейной, если в ней присутствует хотя бы один элемент с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Нелинейными называются элементы, параметры которых зависят от величины и (или) направления связанных с этими элементами переменных (напряжения, тока, магнитного потока, заряда, температуры, светового потока и др.). Нелинейные элементы описываются нелинейными характеристиками, которые не имеют строгого аналитического выражения, определяются экспериментально и задаются таблично или графиками.

Нелинейные элементы можно разделить на двух – и многополюсные. Последние содержат три (различные полупроводниковые и электронные триоды) и более (магнитные усилители, многообмоточные трансформаторы, тетроды, пентоды и др.) полюсов, с помощью которых они подсоединяются к электрической цепи. Характерной особенностью многополюсных элементов является то, что в общем случае их свойства определяются семейством характеристик, представляющих зависимости выходных характеристик от входных переменных и наоборот: входные характеристики строят для ряда фиксированных значений одного из выходных параметров, выходные – для ряда фиксированных значений одного из входных.

По другому признаку классификации нелинейные элементы можно разделить на инерционные и безынерционные. Инерционными называются элементы, характеристики которых зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические характеристики, определяющие зависимость между действующими значениями переменных, отличаются от динамических характеристик,устанавливающих взаимосвязь между мгновенными значениями переменных. Безынерционными называются элементы, характеристики которых не зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические и динамические характеристики совпадают.

Понятия инерционных и безынерционных элементов относительны: элемент может рассматриваться как безынерционный в допустимом (ограниченном сверху) диапазоне частот, при выходе за пределы которого он переходит в разряд инерционных.

В зависимости от вида характеристик различают нелинейные элементы с симметричными и несимметричными характеристиками. Симметричной называется характеристика, не зависящая от направления определяющих ее величин, т.е. имеющая

(2-17-2/6)

симметрию относительно начала системы координат: . Для несимметричной характеристики это условие не выполняется, т.е. . Наличие у нелинейного элемента симметричной характеристики позволяет в целом ряде случаев упростить анализ схемы, осуществляя его в пределах одного квадранта.

По типу характеристики можно также разделить все нелинейные элементы на элементы с однозначной и неоднозначной характеристиками. Однозначной называется характеристика , у которой каждому значению х соответствует единственное значение y и наоборот. В случае неоднозначной характеристики каким-то значениям х может соответствовать два или более значения y или наоборот. У нелинейных резисторов неоднозначность характеристики обычно связана с наличием падающего участка, для которого , а у нелинейных индуктивных и емкостных элементов – с гистерезисом.

Наконец, все нелинейные элементы можно разделить на управляемые и неуправляемые. В отличие от неуправляемых управляемые нелинейные элементы (обычно трех- и многополюсники) содержат управляющие каналы, изменяя напряжение, ток, световой поток и др. в которых, изменяют их основные характеристики: вольт-амперную, вебер-амперную или кулон-вольтную.

Транзистор – полупроводниковый электронный прибор, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (преимущественно Si или Ge), содержащего не менее трех областей с различной – электронной (n) и дырочной (p) – проводимостью и изменяющий своё сопротивление при приложении напряжения на управляющий электрод. Транзистор применяется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. По физической структуре и механизму управления током различают биполярные и полевые транзисторы. В биполярных транзисторах содержится два или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки. В полевых – носителями заряда служат либо электроны, либо дырки.

Чтобы создать источник постоянного напряжения питания, используют однополупериодное или двухполупериодное выпрямление. Типичные схемы выпрямителей приведены на рисунке ниже.