Предисловие (стр. 28 )

В ОЗУ статического типа SRAM в качестве элементов памяти используются простейшие RS- или D-триггеры. Такие ОЗУ характеризуются весьма высоким быстродействием и используются в наиболее «узких» местах микропроцессорной системы, например в сверхоперативной памяти при кратковременном хранении промежуточных результатов, в различных регистрах, кэш-памяти и т. п. Статическая память может быть синхронной и асинхронной. В асинхронной памяти выдача и прием информации определяется подачей комбинационных сигналов. В синхронной памяти выдача и прием информации тактируется.

В ОЗУ динамического типа DRAM в качестве элемента памяти используется микроконденсатор в интегральном исполнении, размеры которого значительно меньше D-триггера статической памяти. По этой причине при одинаковых размерах кристалла информационная емкость DRAM выше, чем SRAM. При этом число адресных входов и габариты должны увеличиться. Чтобы не допустить этого, адресные линии внутри микросхемы разбиваются на две группы, например старшая и младшая половина. Две одноименные k-линии каждой группы подключаются к двум выходам внутреннего k-го демультиплексора 1 в 2, а его вход соединяется с k-м адресным входом микросхемы. Число адресных входов, при этом уменьшается в два раза, но зато передача адреса в микросхему производится, во-первых, в два приема, что несколько уменьшает быстродействие, и, во-вторых, требуется дополнительный внешний мультиплексор адреса. В процессе хранения бита конденсатор разряжается. Чтобы этого не допустить, заряд необходимо поддерживать (обеспечивать регенерацию хранимой информации).

Запоминающая ячейка динамического типа хранит информацию в виде заряда емкости. Ток утечки обратносмещенного p–n-пе-рехода составляет не более 0,1 нA, а емкость – 0,1..0,2 пФ, следовательно, постоянная времени разряда – более 1 мс. Поэтому через каждые 1..2 мс требуется производить подзаряд емкостей запоминающих элементов – регенерацию динамической памяти.

В динамических ОЗУ чаще используется так называемая «строчная регенерация», при которой в одном цикле регенерируются все элементы, расположенные в одной строке прямоугольной матрицы накопителя. Любое обращение к запоминающей ячейке (запись или чтение) регенерирует ее и одновременно регенерирует все ячейки, расположенные в той же строке накопителя.

Для регенерации накопителя достаточно провести обращение только к последовательным строкам – каждый цикл обращения для регенерации может состоять только из передачи адреса строки, поэтому для полной регенерации накопителя объемом 16 K (матрица 128 ´ 128) достаточно 128 тактов. Накопители большего объема реализуют на неквадратных матрицах, чтобы уменьшить число строк и сократить время регенерации. Так, накопитель объемом 64 K имеет матрицу 128 ´ 512.

Динамическая память может быть синхронной и асинхронной. В асинхронной памяти выдача и прием информации определяется подачей комбинационных сигналов. В синхронной памяти выдача и прием информации тактируется. Все DRAM имеют несколько режимов работы: режим чтения/записи, страничный режим чтения/записи, режим регенерации.

Динамическое ОЗУ отличается от статического мультиплексированием адресных входов, необходимостью регенерации хранимой информации, повышенной емкостью (до нескольких Мбит), более сложной схемой управления, меньшим быстродействием.

Для повышения быстродействия памяти в последнее время на одном кристалле вместе с большой по объему динамической памятью DRAM размещают небольшую по объему статическую память SRAM. Такие микросхемы SDRAM, имеющие на одном кристалле 4 Мбайт DRAM и всего 16 Кбайт SRAM, выпускают фирмы «Samsung», «Ramtron» и другие.

4.1.4. Перспективы совершенствования

устройств памяти

Многие десятилетия полупроводниковая промышленность ищет «универсальную» микросхему памяти, которая была бы дешевой, быстродействующей, маломощной и вдобавок сохраняла бы данные при отключении питания. Пока этим требованиям в основном удовлетворяет флэш-память. Она выпускается в виде отдельных микросхем и встраивается в однокристальные микроконтроллеры.

В последнее время разработчиков электронной аппаратуры все большее внимание привлекают новые типы энергонезависимых ЗУ, сопоставимых по быстродействию со статическими ОЗУ и выдерживающих практически неограниченное число циклов перезаписи данных на протяжении многих лет (флэш-память начинает терять данные через 106 циклов).

Одной из первых была сегнетоэлектрическая память FRAM, которая сегодня используется в электрических счетчиках, сетевых серверах и других устройствах.

Гораздо больше перспективы у магниторезистивных ОЗУ MRAM, у которых для хранения данных используется эффект изменения магнитного сопротивления материала. Основными преимуществами этих ОЗУ являются быстрый доступ и неограниченное количество циклов программирования и стирания (много больше 1015). По оценкам специалистов время записи может составить 2,3 нс (на три порядка меньше, чем у самых быстродействующих схем флэш-памяти и в 20 раз меньше, чем у динамических ОЗУ). Кроме этих преимуществ важное значение имеет высокая радиационная стойкость, малая величина тока считывания (на два порядка меньше, чем у ДОЗУ) и освоенность технологии магнитных материалов (тех же, что и в магнитных накопителях).

Совершенствованием технологии MRAM занимается много фирм. Фирма IBM совместно с Infineon в 2003 году представила опытный образец MRAM-матрицы емкостью 128 Кбит, выполненной по стандартной

0,18 мкм-технологии логических микросхем с трехслойными медными межсоединениями. Площадь ее базовой ячейки памяти составляет 1,4 мкм2, время выборки и записи одинаковы – 5 нс. На ближайшее будущее фирмы планируют освоение опытных образцов 256 Мбит MRAM.

Другая фирма Cypress уже выпускает микросхемы СУ9С6264 с MRAM-ячейками памяти, которые полностью сопоставимы со статическими ОЗУ

8 К × 8 бит и могут заменить ЭСРПЗУ, флэш-память и FRAM.

Совершенно иное направление в разработке энергонезависимой памяти выбрала фирма Ovonyx. Работа так называемой унифицированной памяти фирмы Ovonyx OUM основана на эффекте изменения фазы исходного материала (халькогенида), применявшегося для создания CD - и DVD - дисков с возможностью перезаписи. К достоинствам OUM-памяти относятся простота структуры, радиационная стойкость, малая площадь ячейки памяти возможность неразрушающего считывания и селективной перезаписи данных без стирания, малая потребляемая мощность и большое число циклов перезаписи – более 1013. На сегодняшний день наибольший объем OUM-памяти составляет 4 Мбит, минимальный размер элементов схемы – 0,18 мкм.

Самую высокую плотность записи данных смогут обеспечить полимерные сегнетоэлектрические ОЗУ (PFRAM). Специалистами фирмы Thin Film Electronics получена специфическая группа полимеров с двумя стабильными состояниями поляризации. Это позволяет программировать память путем изменения поляризации пленки, заключенной между взаимно перпендикулярными металлическими шинами, и обеспечивает энергонезависимость памяти. Разработанные на фирме тонкие пленки полимера (толщиной менее 0,1 мкм) можно наносить на любую подложку или поверх друг друга с помощью обычных промышленных процессов. Формирование многослойных структур позволяет получать ранее недостижимо малые геометрические размеры памяти. При этом увеличение емкости памяти не влечет за собой существенного увеличения потребляемой мощности (энергия считывания или записи одного разряда информации не превышает 1 пДж).

Новые типы энергонезависимой памяти имеют многообещающие характеристики. Однако широкое применение получит тот или те типы, которые окажутся самыми дешевыми и простыми в изготовлении.

4.2. Микропроцессоры

Основным узлом всех устройств микропроцессорной техники является микропроцессор (МП) или однокристальный микроконтроллер (ОМК). Основное отличие МП от всех ранее рассмотренных цифровых устройств заключается в способе обработки информации. В обычных цифровых устройствах – последовательностных или комбинационных –входные сигналы обрабатываются аппаратно, и результат определяется схемой соединения различных элементарных узлов – конъюнкторов, дизъюнкторов, триггеров и т. д. В МП процесс обработки информации осуществляется программно, т. е. путем последовательного выполнения элементарных действий – команд программы, и результат обработки определяется этой программой. Решаемая задача, таким образом, задается программой, а сами аппаратные средства (микропроцессор и набор дополнительных ИС) остаются неизменными. Это оп­ределяет универсальность устройств и систем на основе МП.

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство в виде интегральной микросхемы, обрабатывающее цифровую информацию и управляющее этим процессом. МП может принимать, дешифрировать и выполнять команды, представленные в двоичном коде.

Однокристальный микроконтроллер (ОМК) (его часто называют однокристальной микроЭВМ) помимо арифметико-логического устройства, устройства управления и сверхоперативной памяти (регистров общего назначения), которые входят и в однокристальный микропроцессор, содержит также оперативную и постоянную память, устройство ввода/вывода и некоторые другие устройства. Однако адресуемая емкость памяти у однокристального микроконтроллера существенно меньше, чем у однокристального микропроцессора, поэтому применяются ОМК в узкоспециализированных системах в составе контроллеров с вполне определенными алгоритмами обработки информации.

Для построения микропроцессорной системы на базе микропроцессора используют микропроцессорный комплект – набор совместимых интегральных микросхем, содержащий тактовый генератор, таймеры, устройства прямого доступа к памяти, устройства ввода/вывода и некоторые другие устройства.

Совершенствование микропроцессоров шло параллельно с развитием микроэлектронной технологии, позволяющей размещать в одном кристалле все большее количество транзисторов. Это можно проследить на примере семейства МП фирмы Intel. Первый МП, выпущенный в 1971 году был 4-разрядный и содержал 2300 транзисторов. Потом были созданы 8-, 16- и 32-разрядные МП, в которых число транзисторов насчитывало уже сотни тысяч.