Лабораторная работа № 10 Исследование работы озу и ппзу
Цель работы: Изучить устройство и принцип действия оперативного запоминающего устройства К155РУ2 (сменное устройство УС-14) и перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства К1601РР1 (УС-19).
1. Краткие теоретические сведения
Микросхемы памяти (запоминающие устройства (ЗУ)) предназначены для запоминания, хранения массивов информации, цифровых кодов. Каждый код хранится в отдельном элементе памяти, называемом ячейкой памяти. Основная функция любой памяти 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.
Принцип организации памяти записывается следующим образом: количество ячеек, знак умножения, 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 4Мх1 означает, что память имеет 4М (то есть 4194304) ячеек, причем каждая ячейка имеет всего один разряд.
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.
Перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ). Память такого типа может стираться и записываться данными многократно. Одной из разновидностей – электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ (EEPROM – Electrically Erasable PROM).
Оперативная память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом), запись информации в которую может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении всего срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания. По принципам хранения информации ОЗУ можно разделить на статические и динамические.
В статических ОЗУ ячейки построены на триггерах. После записи бита в такую ячейку она может сохранять его сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти – статическая, т.е. пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками – высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает на кристалле немало места.
В динамических ОЗУ элементарная ячейка представляет собой конденсатор, выполненный по КМОП – технологии. Такой конденсатор способен в течение нескольких миллисекунд сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. При записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля – разряжается. При считывании данных конденсатор разряжается, и если его заряд был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Процесс считывания (обращения к ячейке) сочетается с восстановлением (регенерацией) заряда. Если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то конденсатор за счет токов утечки разряжается и информация теряется. Для компенсации утечки заряда периодически циклически обращаются к ячейкам памяти, т.к. каждое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора. К достоинствам динамической памяти относятся высокая плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам – низкое быстродействие по сравнению со статической памятью.
Динамическая память (Dynamic RAM – DRAM) используется в качестве оперативной памяти компьютера, а статическая память (Static RAM – SRAM) – для создания высокоскоростной кэш – памяти процессора.
Микросхемы динамической памяти организованы в виде квадратной матрицы, причем пересечение строки и столбца матрицы задает одну из элементарных ячеек. При обращении к той или иной ячейке нужно задать адрес строки и столбца подаваемые последовательно друг за другом по мультиплексированной шине адреса. Дешифрация адреса строки происходит, когда на вход микросхемы подается специальный стробирующий импульс RAS (Raw Address Strobe), а дешифрация адреса столбца – при подаче импульса CAS (Column Address Strobe). Регенерация происходит одновременно по всей строке матрицы при обращении к любой из ее ячеек, т.е. достаточно циклически перебрать все строки.
ОЗУ с параллельным или произвольным доступом.
В этом режиме можно записывать информацию в любой адрес ОЗУ и читать информацию из любого адреса ОЗУ в произвольном порядке. Для записи информации необходимо сформировать код адреса записываемой ячейки и только потом подать данные, сопровождаемые управляющими сигналами –CS и –WR (см. рис. 4). Точно так же необходимо подавать полный код адреса читаемой ячейки при операции чтения.
ОЗУ с последовательным доступом.
В этом случае не надо задавать код адреса записываемой или читаемой ячейки, так как адрес памяти формируется схемой автоматически. Для записи информации надо всего лишь подать код записываемых данных и сопроводить его стробом записи. Для чтения информации надо подать строб чтения и получить читаемые данные. Автоматическое задание адреса при этом осуществляется внутренними счетчиками, меняющими свое состояние по каждому обращению к памяти. Например, десять последовательных циклов записи запишут информацию в десять последовательно расположенных ячеек памяти.
Можно выделить три основных типа оперативной памяти с последовательным доступом: память типа "первым вошел – первым вышел" (FIFO, First In – First Out), память магазинного или стекового типа, работающая по принципу «последним вошел – первым вышел» (LIFO, Last In – First Out), память для хранения массивов данных.
Хранение массивов в памяти предполагает, что сначала в память записывается целиком большой массив данных, а потом этот же массив целиком читается из памяти.
В общем случае микросхема памяти имеет следующие информационные выводы (рис. 1):
адресные (входные), образующие шину адреса памяти. Код на адресных линиях представляет собой двоичный номер ячейки памяти, к которой происходит обращение в данный момент.
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 и т.д.). Как правило, выходы данных имеют тип выходного каскада – открытый коллектор или Z-состоянием. 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.
управляющие (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.
Основные временные характеристики микросхем ЗУ – время выборки адреса (задержка между изменением адреса и выдачей данных), время выборки микросхемы (задержка выдачи данных по выставлению сигнала CS), минимальная длительность сигнала записи WR, минимальная длительность сигнала CS.
Рис. 1. Микросхемы памяти: ПЗУ (а), ОЗУ с двунаправленной шиной данных (б), ОЗУ с раздельными шинами входных и выходных данных (в).
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.
Пример карты прошивки ПЗУ с организацией 256х8 показан в табл. 1 (все биты всех ячеек считаются установленными в единицу). Например, 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).
Таблица 1. Пример карты прошивки ПЗУ.
-
Адрес
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
00
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
10
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
20
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
30
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
40
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
50
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
60
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
70
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
80
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
90
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
A0
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
B0
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
C0
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
D0
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
E0
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
F0
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
ПЗУ как универсальная комбинационная микросхема.
Одно из самых распространенных применений микросхем ПЗУ – замена ими сложных комбинационных схем, что позволяет упростить проектируемое устройство.
Если рассматривать адресные входы микросхемы ПЗУ как входы комбинационной схемы, а разряды данных – как выходы этой комбинационной схемы, то можно сформировать любую требуемую таблицу истинности данной комбинационной схемы. Для этого всего лишь надо составить таблицу прошивки ПЗУ, соответствующую нужной таблице истинности.
ПЗУ в генераторах импульсных последовательностей.
ПЗУ применяются при построении генераторов сложных последовательностей цифровых импульсов. Такие генераторы широко используются в измерительных системах, в устройствах автоматики, в телевизионных системах, в схемах управления линейными или матричными индикаторами и т.д.
Например, для формирования последовательности из нескольких сигналов различной длительности, сдвинутых относительно друг друга на различные временные интервалы. Причем последовательность эта может быть как разовой с запуском по внешнему сигналу, так и периодической, непрерывно повторяющейся.
Пример генератора последовательностей сигналов на ПЗУ (рис. 2) состоит из генератора, счетчика, ПЗУ и выходного регистра. Счетчик перебирает адреса ПЗУ, ПЗУ последовательно выдает на выходы данных записанные в него коды. Выходной регистр, тактируемый тем же тактовым сигналом, что и счетчик, служит для предотвращения появления в выходных сигналах паразитных импульсов и для обеспечения одновременного переключения всех выходных сигналов. Так как счетчик срабатывает по отрицательному фронту тактового сигнала, а регистр – по положительному фронту тактового сигнала, необходимо включить инвертор. На схеме для простоты не показаны резисторы на выходах данных типа открытый коллектор микросхемы ПЗУ.
Рис. 2. Пример генератора последовательностей сигналов на ПЗУ.
Микропрограммные автоматы на ПЗУ.
На основе микропрограммных автоматов можно строить устройства, которые работают по довольно сложным алгоритмам, выполняют различные функции, определяемые входными сигналами, выдают сложные последовательности выходных сигналов. При этом алгоритм работы микропрограммного автомата может быть легко изменен заменой прошивки ПЗУ.
Микропрограммный автомат (рис. 3) состоит из ПЗУ, регистра и тактового генератора.
Рис. 3. Структура микропрограммного автомата
ПЗУ имеет (L+M) адресных разрядов и N разрядов данных. Регистр – (N + L) разрядов. Разряды данных ПЗУ записываются в регистр по положительному фронту тактового сигнала с генератора. Часть этих разрядов (М) используется для образования адреса ПЗУ, другая часть (N-M) служит для формирования выходных сигналов. Входные сигналы (L) поступают на входы регистра и используются совместно с частью выходных разрядов ПЗУ для получения адреса ПЗУ. В каждом такте ПЗУ выдает код данных, тем самым, определяя не только состояние выходных сигналов схемы, но и адрес ПЗУ, который установится в следующем такте. На этот следующий адрес влияют также и входные сигналы. То есть в отличие от формирователя последовательности сигналов, в данном случае адреса могут перебираться не только последовательно (с помощью счетчика), но и в произвольном порядке, который определяется прошивкой ПЗУ, называемой микропрограммой. Заметим, что входные сигналы микропрограммного автомата нельзя подавать непосредственно на адресные входы ПЗУ, так как их асинхронное (по отношению к тактовому сигналу) изменение может вызвать переходный процесс на выходах данных ПЗУ именно в тот момент, когда выходные сигналы ПЗУ записываются в регистр. В результате в регистр может записаться неверная информация, что нарушит работу всей схемы. Регистр же синхронизирует изменения входных сигналов с тактовым сигналом, в результате чего все разряды кода адреса ПЗУ меняется одновременно – по положительному фронту тактового сигнала.
Во всех рассмотренных схемах постоянная память может быть заменена оперативной, только карту прошивки в этом случае придется записывать в память каждый раз заново после включения питания.
Объединение микросхем памяти для увеличения разрядности шины данных или адреса.
Микросхемы памяти довольно часто объединяются для увеличения разрядности данных или разрядности адреса. На рис. 4 показано объединение четырех микросхем К155РУ7 (1Кх1) для получения памяти с организацией 1Кх4. Точно так же могут быть объединены и микросхемы с двунаправленной шиной данных.
Рис. 4. Объединение микросхем памяти для увеличения разрядности шины данных.
На рис. 5 показан вариант схемы объединения двух микросхем HM62256 (32Кх8) для получения памяти с организацией 64Кх8. Дополнительный старший адресный разряд А16 управляет прохождением сигнала –CS (при нулевом уровне на А16 сигнал –CS проходит на левую по рисунку микросхему, при единичном уровне – на правую).
Рис. 5. Объединение микросхем памяти для увеличения разрядности шины адреса.