10.3. Запоминающие устройства

В данном разделе будут рассмотрены запоминающие устройства сугубо электронного типа. Они не содержат механических узлов и изготавливаются в виде отдельных микросхем. Такие устройства подразделяются на две основные группы – постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ).

А. Постоянные запоминающие устройства

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 (кило), соответствует числу ячеек 1 024 = 2¹⁰;

• 1М (мега)  1 048 576 = 2²⁰;

• 1Г (гига)  1 073 741 824 = 2³⁰.

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 64К8 означает, что память имеет 64К (то есть 65 536) ячеек и каждая ячейка  восьмиразрядная. А организация памяти 4М х 1 означает, что память соответствует 4М (то есть 4 194 304 ячеек), причем каждая ячейка имеет всего один разряд. В случае одноразрядных ячеек общий объем памяти измеряется в битах, в килобитах (Кбит), в мегабитах (Мбит) и гигабитах (Гбит). Если ячейки восьмиразрядные  в байтах, в килобайтах (Кбайт), в мегабайтах (Мбайт) и в гигабайтах (Гбайт).

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

Постоянная память, в которую информация заносится один раз на этапе изготовления микросхемы. Сокращенная запись  ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (Read Only Memory  память только для чтения). Такая память называется еще масочным ПЗУ. Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому она является энергонезависимой памятью.

Программируемая постоянная память (ППЗУ  программируемое ПЗУ, PROM  Programmable ROM), в которую информация может заноситься пользователем с помощью специальных методов и 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. 10.19):

1. 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.

2. 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  четыре или более.

3. 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.

Отметим, 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). У микросхем ПЗУ 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.

На рис. 10.20 представлены для примера несколько простейших и типичных микросхем постоянной памяти.

Б. Оперативные запоминающие устройства

Основное отличие оперативной памяти (RAM) от постоянной (ROM) состоит в возможности оперативного изменения содержимого всех ячеек памяти с помощью дополнительного управляющего сигнала записи WR. Каждая ячейка оперативной (статической) памяти представляет собой, по сути, регистр из триггерных ячеек, в который может быть записана информация и из которого можно информацию читать. Выбор того или иного регистра (той или иной ячейки памяти) производится с помощью кода адреса памяти. Поэтому при выключении питания вся информация из оперативной памяти пропадает (стирается), а при включении питания информация в оперативной памяти может быть произвольной.

Отметим, что существует также еще одна разновидность оперативной памяти, так называемая динамическая (в отличие от статической), в которой информация хранится не в регистрах (не в триггерных ячейках), а в виде заряда на конденсаторах. Эта память отличается более низкой стоимостью, меньшим быстродействием и необходимостью регулярной регенерации ("Refresh"  "востановление") информации в ней (так как конденсаторы со временем разряжаются).

Как уже отмечалось, оперативная память бывает двух основных видов: с раздельными шинами входных и выходных данных (в основном это одноразрядная память) и с двунаправленной (совмещенной) шиной входных и выходных данных (многоразрядная память). Некоторые простейшие примеры микросхем памяти обоих этих видов приведены на рис. 10.21. Выходы данных микросхем памяти имеют тип ОК (довольно редко) или 3С. Управляющие сигналы  это сигнал выбора микросхемы CS (иногда их несколько), сигнал записи WR (обычно отрицательный) и иногда сигнал разрешения выхода OE.

Микросхема оперативной памяти К155РУ7 (аналог  F9342APC) имеет организацию 1К1 и раздельные входной и выходной сигналы данных. Выход микросхемы  типа 3С (высокоимпендансное состояние обозначают как Z). Управление работой микросхемы производится двумя управляющими сигналами CS и WR. Режимы работы микросхемы приведены в табл. 10.16.

Таблица 10.16

Режимы работы микросхемы оперативной памяти К155РУ7
Входные и выходные сигналы					Режим
CS	WR	A0…A9	DI	DO
1	X	X	X	Z	Хранение
0	0	Адрес	0	Z	Запись 0
0	0	Адрес	1	Z	Запись 1
0	1	Адрес	X	Данные	Чтение

Микросхема КМ132РУ10 отличается от К155РУ7 в основном большим объемом (организация 64К1) и несколько меньшим быстродействием. Назначение управляющих сигналов и таблица режимов работы у этих микросхем совпадают.

Микросхема КР541РУ2 (аналог  IM7147L-3) относится к другой разновидности микросхем памяти. У нее четыре двунаправленных вывода данных типа 3С. Управляющие сигналы те же самые: и . Таблица режимов работы (табл. 10.17) также похожа на таблицу для одноразрядных микросхем. Главное отличие состоит в том, что в режиме записи на входах/выходах данных присутствует записываемая информация.

Таблица 10.17

Режимы работы микросхемы ОЗУ КР541РУ2
Входные и выходные сигналы				Режим
CS	WR	A0…A9	DIO0…DIO3
1	X	X	Z	Хранение
0	0	Адрес	0	Запись 0
0	0	Адрес	1	Запись 1
0	1	Адрес	Данные	Чтение

Микросхема HM62256 фирмы «Hitachi» отличается от КР541РУ2 прежде всего организацией (32К8) и управляющими сигналами (добавлен сигнал разрешения выхода ). Когда этот сигнал пассивен (равен единице), входы/выходы данных микросхемы находятся в состоянии 3С независимо от режима работы. Введение дополнительного сигнала позволяет более гибко управлять работой микросхемы. К тому же обычно в подобных микросхемах при пассивном сигнале (равном единице) значительно уменьшается потребляемая мощность.

Таблицы режимов работы (таблицы истинности) микросхем памяти не дают достаточно информации для их практического использования. Для микросхем памяти очень важны временные параметры (задержки сигналов относительно друг друга) и порядок выставления и снятия сигналов адреса, данных и управления. Всю эту информацию дают временные диаграммы циклов записи в память и чтения (считывания) из памяти, приводимые в справочниках. Самые главные временные параметры оперативной памяти следующие:

• время выборки адреса (задержка между изменением адреса и выдачей данных);

• время выборки микросхемы (задержка выдачи данных по выставлению сигнала );

• минимальная длительность сигнала записи ;

• минимальная длительность сигнала .

Типичные временные диаграммы циклов записи и чтения приведены на рис. 10.22. Конкретные временные диаграммы для каждого типа памяти необходимо смотреть в справочниках.

Для записи информации в память надо выставить код адреса на адресных входах, выставить код записываемых в этот адрес данных на входах данных, подать сигнал записи и подать сигнал выбора микросхемы . Порядок выставления сигналов бывает различным, он может быть существенным или несущественным (например, можно выставлять или снимать раньше или позже выставления или снятия ). Собственно запись обычно производится сигналом или , причем данные должны удерживаться в течение всего сигнала (или ) и заданное время после его окончания.

Сигнал у некоторых микросхем памяти допускается держать активным (нулевым) для всех записываемых адресов и при этом подавать импульсы для каждого адреса. Точно так же у некоторых микросхем допускается держать активным (нулевым) сигнал записи , но при этом подавать импульсы .

В случае микросхем памяти с двунаправленной шиной данных необходимо использовать источник записываемых данных с выходом 3С или ОК, чтобы избежать конфликта данных, записываемых в память, с данными, выдаваемыми из памяти в режиме чтения.

Для чтения информации из памяти надо выставить код адреса читаемой ячейки и подать сигналы и (если он имеется). Сигнал в процессе чтения должен оставаться пассивным (равным единице). В некоторых микросхемах памяти (называемых нетактируемыми, например, К155РУ7, КР541РУ2, HM62256) можно держать активным (нулевым) сигнал для всех читаемых адресов. В других микросхемах (называемых тактируемыми, например, КМ132РУ10, К537РУ8) необходимо подавать свой импульс для каждого читаемого адреса. Понятно, что нетактируемые микросхемы гораздо удобнее в применении, чем тактируемые.