Лекция №11: Постоянная память

В лекции рассказывается о типах микросхем памяти и о микросхемах постоянной памяти, их алгоритмах работы, параметрах, типовых схемах включения, а также о способах реализации на их основе некоторых часто встречающихся функций.

Микросхемы памяти (или просто память, или запоминающие устройства — ЗУ, английское "Memory") представляют собой следующий шаг на пути усложнения цифровых микросхем по сравнению с микросхемами, рассмотренными ранее. Память — это всегда очень сложная структура, включающая в себя множество элементов. Правда, внутренняя структура памяти — регулярная, большинство элементов одинаковые, связи между элементами сравнительно простые, поэтому функции, выполняемые микросхемами памяти, не слишком сложные.

Память, как и следует из ее названия, предназначена для запоминания, хранения каких-то массивов информации, проще говоря, наборов, таблиц, групп цифровых кодов. Каждый код хранится в отдельном элементе памяти, называемом ячейкой памяти. Основная функция любой памяти как раз и состоит в выдаче этих кодов на выходы микросхемы по внешнему запросу. А основной параметр памяти — это ее объем, то есть количество кодов, которые могут в ней храниться, и разрядность этих кодов.

Для обозначения количества ячеек памяти используются следующие специальные единицы измерения:

• 1К — это 1024, то есть 2¹⁰ (читается "кило-"" или "ка-"), примерно равно одной тысяче;
• 1М — это 1048576, то есть 2²⁰ (читается "мега-"), примерно равно одному миллиону;
• 1Г — это 1073741824, то есть 2³⁰ (читается "гига-"), примерно равно одному миллиарду.

Принцип организации памяти записывается следующим образом: сначала пишется количество ячеек, а затем через знак умножения (косой крест) — разрядность кода, хранящегося в одной ячейке. Например, организация памяти 64Кх8 означает, что память имеет 64К (то есть 65536) ячеек и каждая ячейка — восьмиразрядная. А организация памяти 4М х 1 означает, что память имеет 4М (то есть 4194304) ячеек, причем каждая ячейка имеет всего один разряд. Общий объем памяти измеряется в байтах (килобайтах — Кбайт, мегабайтах — Мбайт, гигабайтах — Гбайт) или в битах (килобитах — Кбит, мегабитах — Мбит, гигабитах — Гбит).

В зависимости от способа занесения (записи) информации и от способа ее хранения, микросхемы памяти разделяются на следующие основные типы:

• Постоянная память (ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, ROM — Read Only Memory — память только для чтения), в которую информация заносится один раз на этапе изготовления микросхемы. Такая память называется еще масочным ПЗУ. Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому ее еще называют энергонезависимой памятью.
• Программируемая постоянная память (ППЗУ — программируемое ПЗУ, PROM — Programmable ROM), в которую информация может заноситься пользователем с помощью специальных методов (ограниченное число раз). Информация в ППЗУ тоже не пропадает при выключении ее питания, то есть она также энергонезависимая.
• Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом), запись информации в которую наиболее проста и может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении всего срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания.

Существует множество промежуточных типов памяти, а также множество подтипов, но указанные — самые главные, принципиально отличающиеся друг от друга. Хотя, разница между ПЗУ и ППЗУ с точки зрения разработчика цифровых устройств, как правило, не так уж велика. Только в отдельных случаях, например, при использовании так называемой флэш-памяти (flash-memory), представляющей собой ППЗУ с многократным электрическим стиранием и перезаписью информации, эта разница действительно чрезвычайно важна. Можно считать, что флэш-память занимает промежуточное положение между ОЗУ и ПЗУ.

В общем случае любая микросхема памяти имеет следующие информационные выводы (рис. 11.1):

Рис. 11.1. Микросхемы памяти: ПЗУ (а), ОЗУ с двунаправленной шиной данных (б), ОЗУ с раздельными шинами входных и выходных данных (в)

• Адресные выводы (входные), образующие шину адреса памяти. Код на адресных линиях представляет собой двоичный номер ячейки памяти, к которой происходит обращение в данный момент. Количество адресных разрядов определяет количество ячеек памяти: при количестве адресных разрядов n количество ячеек памяти равно 2ⁿ.
• Выводы данных (выходные), образующие шину данных памяти. Код на линиях данных представляет собой содержимое той ячейки памяти, к которой производится обращение в данный момент. Количество разрядов данных определяет количество разрядов всех ячеек памяти (обычно оно бывает равным 1, 4, 8, 16). Как правило, выходы данных имеют тип выходного каскада ОК или 3С.
• В случае оперативной памяти, помимо выходной шины данных, может быть еще и отдельная входная шина данных, на которую подается код, записываемый в выбранную ячейку памяти. Другой возможный вариант — совмещение входной и выходной шин данных, то есть двунаправленная шина, направление передачи информации по которой определяется управляющими сигналами. Двунаправленная шина применяется обычно при количестве разрядов шины данных 4 или более.
• Управляющие выводы (входные), которые определяют режим работы микросхемы. В большинстве случаев у памяти имеется вход выбора микросхемы CS (их может быть несколько, объединенных по функции И). У оперативной памяти также обязательно есть вход записи WR, активный уровень сигнала на котором переводит микросхему в режим записи.

Мы в данной лекции не будем, конечно, изучать все возможные разновидности микросхем памяти, для этого не хватит целой книги. К тому же эта информация содержится в многочисленных справочниках. Микросхемы памяти выпускаются десятками фирм во всем мире, поэтому даже перечислить все их не слишком просто, не говоря уже о том, чтобы подробно рассматривать их особенности и параметры. Мы всего лишь рассмотрим различные схемы включения типичных микросхем памяти для решения наиболее распространенных задач, а также методы проектирования некоторых узлов и устройств на основе микросхем памяти. Именно это имеет непосредственное отношение к цифровой схемотехнике. И именно способы включения микросхем мало зависят от характерных особенностей той или иной микросхемы той или иной фирмы.

В данном разделе мы не будем говорить о флэш-памяти, так как это отдельная большая тема. Мы ограничимся только простейшими микросхемами ПЗУ и ППЗУ, информация в которые заносится раз и навсегда (на этапе изготовления или же самим пользователем). Мы также не будем рассматривать здесь особенности оборудования для программирования ППЗУ (так называемых программаторов), принципы их построения и использования, — это отдельная большая тема. Мы будем считать, что нужная нам информация может быть записана в ПЗУ или ППЗУ, а когда, как, каким способом она будет записана, нам не слишком важно. Все эти допущения позволят нам сосредоточиться именно на схемотехнике узлов и устройств на основе ПЗУ и ППЗУ (для простоты будем называть их в дальнейшем просто ПЗУ).

Упомянем здесь только, что ППЗУ делятся на репрограммируемые или перепрограммируемые ПЗУ (РПЗУ, EPROM — Erasable Programmable ROM), то есть допускающие стирание и перезапись информации, и однократно программируемые ПЗУ. В свою очередь, РПЗУ делятся на ПЗУ, информация в которых стирается электрическими сигналами (EEPROM — Electrically Erasable Programmable ROM), и на ПЗУ, информация в которых стирается ультрафиолетовым излучением через специальное прозрачное окошко в корпусе микросхемы (собственно EPROM — Erasable Programmable ROM). Запись информации в любые ППЗУ производится с помощью подачи определенных последовательностей электрических сигналов (как правило, повышенного напряжения) на выводы микросхемы.

Фирмами-производителями цифровых микросхем выпускается немало самых разнообразных ПЗУ и ППЗУ. Различаются микросхемы постоянной памяти своим объемом (от 32 байт до 8 Мбайт и более), организацией (обычно количество разрядов данных бывает 4, 8 или 16), способами управления (назначением управляющих сигналов), типами выходных каскадов (обычно ОК или 3С), быстродействием (обычно задержка составляет от единиц до сотен наносекунд). Но суть всех микросхем ПЗУ остается одной и той же: имеется шина адреса, на которую надо подавать код адреса нужной ячейки памяти, имеется шина данных, на которую выдается код, записанный в адресуемой ячейке, и имеются входы управления, которые разрешают или запрещают выдачу информации из адресуемой ячейки на шину данных.

Рис. 11.2. Примеры микросхем ППЗУ отечественного производства

На рис. 11.2 представлены для примера несколько простейших и типичных микросхем постоянной памяти.

Микросхема К155РЕ3 (аналог — N8223N) представляет собой однократно программируемое ППЗУ с организацией 32 х 8. Исходное состояние (до программирования) — все биты всех ячеек нулевые. Для программирования (записи информации) используется специальный программатор, подающий на разряды данных импульсы высокого напряжения. Тип выходных каскадов — открытый коллектор, то есть обязательно надо включать на выходах резисторы, подсоединенные к шине питания. Имеется один управляющий вход –CS, при положительном уровне сигнала на котором на всех выходах устанавливаются единицы.

Микросхема КР556РТ4 (аналог — I3601) — это также однократно программируемая постоянная память с организацией 256х4. Исходное состояние (до программирования): все биты всех ячеек нулевые. Тип выходных каскадов — ОК. Два управляющих входа -CS1 и –CS2 объединены по принципу И, то есть для разрешения работы микросхемы (для перевода выходов в активное состояние) оба эти сигнала должны быть нулевыми. Для записи информации в микросхему используется программатор.

Микросхема КР556РТ18 (аналог — HM76161) также является однократно программируемым ППЗУ и имеет организацию 2Кх8. Тип выходов микросхемы — 3С. Имеются три управляющих входа: один инверсный –CS1, два других — прямые CS2 и CS3, объединенных по функции И. Выходы данных переходят в активное состояние при нулевом уровне на –CS1 и при единичных уровнях на CS2 и CS3. Если входы управления используются для подачи управляющих сигналов (то есть выходы могут переходить в третье состояние) то на выходы надо включать нагрузочные резисторы, подключенные к шине питания. Исходное состояние микросхемы (до программирования) — все биты всех ячеек в единице.

Наконец, микросхема К573РФ8 (аналог — I27256) — это пример памяти РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации. Чтобы перепрограммировать память, необходимо ее стереть, для чего в течение некоторого времени (обычно несколько минут) надо облучать микросхему через окошко в корпусе ультрафиолетовым светом (можно использовать медицинский кварцевый облучатель). Стертая микросхема имеет все биты, установленные в единицу. Затем проводится процедура записи с помощью программатора, несколько отличающегося от программаторов однократно программируемых микросхем. Управляющие входы –CS и –CE должны быть установлены в нуль для перевода выходов микросхемы в активное состояние. Имеется специальный вход UPR для подачи программирующего высокого напряжения, который при чтении информации из микросхемы надо подключать к напряжению питания. Тип выходных каскадов — 3С. Микросхемы этого типа самые медленные, их задержки самые большие.

Основные временные характеристики микросхем ПЗУ — это две величины задержки. Задержка выборки адреса памяти — время от установки входного кода адреса до установки выходного кода данных. Задержка выборки микросхемы — время от установки активного разрешающего управляющего сигнала CS до установки выходного кода данных памяти. Задержка выборки микросхемы обычно в несколько раз меньше задержки выборки адреса.

Содержимое ПЗУ обычно изображается в виде специальной таблицы, называемой картой прошивки памяти. В таблице показывается содержимое всех ячеек памяти, причем в каждой строке записывается содержимое 16 (или 32) последовательно идущих (при нарастании кода адреса) ячеек. При этом, как правило, используется 16-ричное кодирование.

Таблица 11.1. Пример карты прошивки ПЗУ

Пример карты прошивки ПЗУ с организацией 256х8 показан в табл. 11.1 (все биты всех ячеек считаются установленными в единицу). Пользоваться таблицей очень просто. Например для того, чтобы посмотреть содержимое ячейки памяти с 16-ричным адресом 8А, надо взять строку таблицы с номером 80 и столбец таблицы с номером А (данная ячейка в таблице выделена жирным шрифтом).

Любые микросхемы ПЗУ легко можно включать так, чтобы уменьшать или увеличивать количество адресных разрядов, то есть уменьшать или увеличивать количество используемых ячеек памяти. И то, и другое часто требуется при построении схем цифровых устройств.

Для уменьшения количества адресных разрядов необходимо на нужное число старших адресных входов подать нулевые сигналы. Каждый отключенный таким образом адресный разряд уменьшает количество ячеек ПЗУ вдвое. Например, на рис. 11.3 показано, как из микросхемы с организацией 2Кх8 сделать микросхему 512х8. Два старших разряда адреса памяти отключены (на них поданы нулевые сигналы). Использоваться будут только младшие (верхние в таблице прошивки) 512 ячеек, и только их надо будет программировать. Конечно, гораздо лучше подобрать микросхему именно с тем количеством ячеек, которое действительно необходимо в данной схеме, но это, к сожалению, возможно не всегда.

Рис. 11.3. Уменьшение количества адресных разрядов ПЗУ

Задача увеличения количества адресных разрядов ПЗУ встречается значительно чаще задачи уменьшения количества адресных разрядов. В результате такого увеличения возрастает объем ПЗУ, объемы отдельных микросхем суммируются. Для увеличения адресных разрядов обычно применяются микросхемы дешифраторов (рис. 11.4). Младшие разряды шины адреса при этом подаются на объединенные адресные входы всех микросхем, а старшие — на управляющие (адресные) входы дешифратора. Выходные сигналы дешифратора разрешают работу всегда только одной микросхемы памяти. В результате на общую шину данных всех ПЗУ выдает свою информацию только одна микросхема. На рисунке для простоты не показаны выходные резисторы с разрядов данных на шину питания, подключение которых чаще всего необходимо, так как тип выходов данных микросхем ПЗУ — это ОК или 3С.

В результате подобного объединения микросхем ПЗУ может увеличиться время выборки адреса полученного единого ПЗУ. В данном случае (см. рис. 11.4) оно будет равно максимальной из двух величин: времени выборки адреса одной микросхемы и суммы двух задержек — задержки дешифратора и задержки выборки микросхемы ПЗУ.

Рис. 11.4. Увеличение количества адресных разрядов ПЗУ с помощью дешифратора

Если надо объединить две микросхемы (то есть добавить всего один разряд адресной шины), можно обойтись без дешифратора, подавая на вход –CS одной микросхемы прямой дополнительный сигнал адреса, а на вход –CS другой микросхемы — этот же сигнал с инверсией. Применение дешифратора 3—8 позволяет объединить 8 микросхем ПЗУ (добавить три адресных разряда), а применение дешифратора 4–16 добавляет четыре адресных разряда, объединяя 16 микросхем ПЗУ.

Часто возникает также задача увеличения количества разрядов данных. Для этого необходимо всего лишь объединить одноименные адресные входы нужного количества микросхем ПЗУ; выходы же данных ПЗУ не объединяются, а образуют код с большим числом разрядов. Например, при объединении таким образом двух микросхем с организацией 8Кх8 можно получить ПЗУ с организацией 8Кх16.