Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах, и , таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства называются ROM (read only memory — память доступная только для чтения). Схема такого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), построенная на мультиплексоре.

В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.

Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема многоразрядного ПЗУ (ROM).

В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы — металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ . Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше — это использование кроме мультиплексора еще и . Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в двухмерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Рисунок 4. Схема масочного постоянного запоминающего устройства (ROM).

Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 5. Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ). Чтение микросхемы производится сигналом RD.

Рисунок 5. масочного ПЗУ (ROM) на принципиальных схемах.

Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах — программаторах. В этих ПЗУ постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве ПЗУ изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти ПЗУ логических единиц. В процессе программирования ПЗУ на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход ПЗУ подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход ПЗУ подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку запоминающей матрицы будет протекать ток, который испарит ее и при последующем считывании информации из этой ячейки ПЗУ будет считываться логический ноль.

Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) или PROM и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 6. В качестве примера ППЗУ можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.

Рисунок 6. Условно-графическое обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства (PROM) на принципиальных схемах.

Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.

ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:

Рисунок 7. Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.

Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния — диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ, заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании ПЗУ, на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе подобной ячейки может храниться десятки лет.

Структурная схема описанного постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственное отличие — вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка. Такой вид ПЗУ называется репрограммируемыми постоянными запоминающими устройствами (РПЗУ) или EPROM. В РПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы ПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла.

При облучении микросхемы РПЗУ, изолирующие свойства оксида кремния теряются, накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника, и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы РПЗУ колеблется в пределах 10 — 30 минут.

Количество циклов записи — стирания микросхем EPROM находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема РПЗУ выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения на оксид кремния. В качестве примера микросхем EPROM можно назвать микросхемы 573 серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В РПЗУ чаще всего хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. РПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Условно-графическое обозначение РПЗУ (EPROM) на принципиальных схемах.

Так так корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи-стирания привели к поиску способов стирания информации из РПЗУ электрическим способом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей ячейки в них используются такие же ячейки как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи-стирания для этих микросхем достигает 1000000 раз. Время стирания ячейки памяти в таких ПЗУ уменьшается до 10 мс. Схема управления для электрически стираемых программируемых ПЗУ получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:

1. ЕСППЗУ (EEPROM) — электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство
2. FLASH-ПЗУ

Электрически стираемые ППЗУ (EEPROM) дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи-стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ — хранение данных, которые не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3, 558РР3 и зарубежные микросхемы EEPROM серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ обозначаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Условно-графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM) на принципиальных схемах.

В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних выводов микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов — SPI порт и I2C порт (микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX.

FLASH-ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.

Рисунок 10. Условно-графическое обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах.

При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке 11.

Рисунок 11. Временные диаграммы сигналов чтения информации из ПЗУ.

На рисунке 11 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD — это сигнал чтения, A — сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D — выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.

Литература:

Вместе со статьей "Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)" читают:

http://сайт/digital/SintSxem.php

ется процессоров RISC, то они близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте.

Также с упрощением ЦП уменьшается число транзисторов, необходимых для его реализации, следовательно, уменьшается площадь кристалла. А с этим связано снижение стоимости и потребляемой мощности.

Следует также иметь в виду, что благодаря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству. Между тем, в сокращенный набор RISC вошли только наиболее часто используемые команды. Ряд редко встречающихся команд процессора CISC выполняется последовательностями команд процессора RISC.

Позже появилась концепция процессоров MISC, использующая минимальный набор длинных команд. Вслед за ними возникли процессоры VLIW, работающие со сверхдлинными командами. Быстродействие процессоров определяется в миллионах операций в секунду MIPS .

Память в микропроцессорных устройствах

В микропроцессорных устройствах память служит для хранения исходных данных программ обработки информации промежуточных и окончательных результатов вычисления.

Выделяют два основных типа памяти:

∙ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных, поэтому эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется;

В современных микропроцессорах память ОЗУ представляет собой многоуровневую систему, в которой выделяют уровни сверхоперативной памяти (СОЗУ), ОЗУ, буферной памяти (БЗУ) и внешней памяти (ВЗУ).

Каждый последующий уровень отличается от предыдущего емкостью и быстродействием.

Емкостью называется максимальное количество информации, которая может быть записана в память.

Быстродействие характеризуется длительностью операций чтения и записи - двух основных операций, выполняемых памятью.

Для указанных уровней памяти емкость растет в направлении от СОЗУ к ВЗУ, а быстродействие в противоположном направлении.

∙ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения программ, поэтому часто эту память называют кодовой или памятью программ. Микросхемы ПЗУ способны сохранять информацию при отключенном электропитании, но могут быть запрограммированы только один или очень ограниченное число раз.

Основные характеристики полупроводниковой памяти

Основные характеристики памяти, которые необходимо учитывать при проектировании систем:

∙Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M - число слов, N - разрядность слова. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

∙Временные характеристики памяти.

1.1 Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

o Время восстановления - это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША адрес, с ШУ сигнал «чтение» или «запись» и с ШД данные.

∙Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

∙Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием.

∙Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической памяти.

∙Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие

Типы микросхем постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)

Существуют следующие основные типы ПЗУ:

∙масочные ПЗУ - они программируются в процессе их изготовления путем нанесения маски из замкнутых (высокий уровень) и разомкнутых перемычек (низкий уровень), этот тип ПЗУ наиболее дешев, но при изготовлении крупной партией;

∙ПЗУ с плавкими перемычками или электрически программируемые (ЭПЗУ ) - эти микросхемы программируются потребителем путем пропускания импульсов тока до разрушения перемычек, соответствующих битам, которые должны стать нулевыми;

∙перепрограммируемые ПЗУ с электрической записью информации и стиранием ультрафиолетовым излучением (УФППЗУ ) - основа ячейки памяти микросхемы данного типа - МОП-транзистор с полностью изолированным «плавающим» затвором, при программировании окисел пробивается и на затворе накапливается заряд, который сохраняется там пока микросхема не будет подвергнута УФ-облучению, под его действием окисел становится проводящим; сопротивление канала транзистора зависит от заряда на затворе и будет определять бит, записанный в ячейку;

∙электрически стираемые ПЗУ(ЕЕPRОМ ) устроены аналогично УФППЗУ, но стирание происходит, как и запись, при подаче импульсов напряжения; это самый дорогой, но и самый удобный тип ПЗУ.

∙FLASH-память - наиболее популярная в настоящее время. Ее главное достоинство в том, что она построена по принципу электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации с помощью программаторов. Минимальное гарантированное число циклов записи/стирания обычно превышает несколько тысяч. Это существенно увеличивает жизненный цикл и повышает гибкость микропроцессорных систем, так как позволяет вносить изменения в программу микропроцессора, как на этапе разработки системы, так и в процессе его работы в реальном устройстве.

Типы микросхем ОЗУ

Существует два типа микросхем ОЗУ:

∙статические ОЗУ, в которых основой запоминающей ячейки служит триггер;

Все виды памяти, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одно общее свой­ство: в них можно и записывать информацию, и считывать ее. Такая память назы­вается ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Существует два типа ОЗУ: статическое и динамическое. Статическое ОЗУ конструируется с использовани­ем D-триггеров. Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание: секунды, минуты, часы и даже дни. Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько нано­секунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-па­мяти второго уровня.

В динамическом ОЗУ, напротив, триггеры не используются. Динамическое ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженны­ми, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (пе­резаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку дан­ных. Поскольку об обновлении должна заботиться внешняя логика, динамическое ОЗУ требует более сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток компенсируется большим объемом.

Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае б транзисторов на бит), дина­мическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микро­схему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динами­ческих ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств.

Существует несколько типов динамических ОЗУ. Самый древний тип, кото­рый все еще используется, - FPM (Fast Page Mode - быстрый постраничный

Память 175

режим)-. Это ОЗУ представляет собой матрицу битов. Аппаратное обеспечение представляет адрес строки, а затем - адреса столбцов (мы описывали этот процесс, когда говорили об устройстве памяти, показанном на рис. 3.30, 6).

FPM постепенно замещается EDO 1 (Extended Data Output - память с расши­ренными возможностями вывода), которая позволяет обращаться к памяти еще до того, как закончилось предыдущее обращение. Такой конвейерный режим не ускоряет доступ к памяти, но зато увеличивает пропускную способность, выдавая больше слов в секунду.

И FPM, и EDO являются асинхронными. В отличие от них так называемое син­хронное динамическое ОЗУ управляется одним синхронизирующим сигналом. Данное устройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ. Синхронное динамическое ОЗУ часто используется при производстве кэш-памя­ти большого объема. Возможно, данная технология в будущем станет наиболее предпочтительной и в изготовлении основной памяти.

ОЗУ - не единственный тип микросхем памяти. Во многих случаях данные должны сохраняться, даже если питание отключено (например, если речь идет об игрушках, различных приборах и машинах). Более того, после установки ни про­граммы, ни данные не должны изменяться. Эти требования привели к появлению ПЗУ (постоянных запоминающих устройств), которые не позволяют изменять и стирать хранящуюся в них информацию (ни умышленно, ни случайно). Данные записываются в ПЗУ в процессе производства. Для этого изготавливается трафарет с определенным набором битов, который накладывается на фоточувствительный материал, а затем открытые (или закрытые) части поверхности вытравливаются. Единственный способ изменить программу в ПЗУ - поменять целую микросхему.

ПЗУ стоят гораздо дешевле ОЗУ, если заказывать их большими партиями, что­бы оплатить расходы на изготовление трафарета. Однако они не допускают измене­ний после выпуска с производства, а между подачей заказа на ПЗУ и его выполне­нием может пройти несколько недель. Чтобы компаниям было проще разрабатывать новые устройства, основанные на ПЗУ, были выпущены программируемые ПЗУ. В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях эксплуата­ции, что позволяет сократить время выполнения заказа. Многие программируе­мые ПЗУ содержат массив крошечных плавких перемычек. Можно пережечь определенную перемычку, если выбрать нужную строку и нужный столбец, а затем приложить высокое напряжение к определенному выводу микросхемы.

Следующая разработка этой линии - стираемое программируемое ПЗУ, ко­торое можно не только программировать в условиях эксплуатации, но и стирать с него информацию. Если кварцевое окно в данном ПЗУ подвергать воздействию сильного ультрафиолетового света в течение 15 минут, все биты установятся на 1. Если нужно сделать много изменений во время одного этапа проектирования, сти­раемые ПЗУ гораздо экономичнее, чем обычные программируемые ПЗУ, поскольку их можно использовать многократно. Стираемые программируемые ПЗУ обычно устроены так же, как статические ОЗУ. Например, микросхема 27С040 имеет структуру, которая показана на рис. 3.30, а, а такая структура типична для стати­ческого ОЗУ.

Динамическая намять типа EDO вытеснила обычную динамическую память, работающую н режиме FPM, в середине 90-х годов. - Примеч. научи, ред.

Следующий этап - электронно-перепрограммируемое ПЗУ, с которого мож­но стирать информацию, прилагая к нему импульсы, и которое не нужно для этого помещать в специальную камеру, чтобы подвергнуть воздействию ультрафиоле­товых лучей. Кроме того, чтобы перепрограммировать данное устройство, его не нужно вставлять в специальный аппарат для программирования, в отличие от сти­раемого программируемого ПЗУ. Но с другой стороны, самые большие электрон­но-перепрограммируемые ПЗУ в 64 раза меньше обычных стираемых ПЗУ, и ра­ботают они в два раза медленнее. Электронно-перепрограммируемые ПЗУ не могут конкурировать с динамическими и статическими ОЗУ, поскольку они работают в 10 раз медленнее, их емкость в 100 раз меньше и они стоят гораздо дороже. Они используются только в тех ситуациях, когда необходимо сохранение информации при выключении питания.

Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ - флэш-па­мять. В отличие от стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультра­фиолетовых лучей, и от электронно-программируемого ПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками. Как и любое элект­ронно-перепрограммируемое ПЗУ, флэш-память можно стирать, не вынимая ее из микросхемы. Многие изготовители производят небольшие печатные платы, со­держащие десятки мегабайтов флэш-памяти. Они используются для хранения изоб­ражений в цифровых камерах и для других целей. Возможно, когда-нибудь флэш-память вытеснит диски, что будет грандиозным шагом вперед, учитывая время доступа в 100 не. Основной технической проблемой в данный момент является то, что флэш-память изнашивается после 10 000 стираний, а диски могут служить го­дами независимо от того, сколько раз они перезаписывались. Краткое описание различных типов памяти дано в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Характеристики различных видов памяти

Тип запо-	Категория	Стирание	Изменение	Энерго-	Применение
минающего		записи	информации	зависи-
устройства			по байтам	мость
Статическое	Чтение/	Электрическое	Да	Да	Кэш-память
ОЗУ (SRAM)	запись				второго уровня
Динамическое	Чтение/	Электрическое	Да	Да	Основная память
ОЗУ (DRAM)	запись
ПЗУ(ЯОМ)	Только	Невозможно	Нет	Нет	Устройства
	чтение				большого размера
Програм-	Только	Невозможно	Нет	Нет	Устройства
мируемое	чтение				небольшого
ПЗУ (PROM)					размера
Стираемое	Преиму-	Ультра-	Нет	Нет	Моделирование
програм-	щественно	фиолетовый			устройств
мируемое	чтение	свет
ПЗУ(ЕРРЮМ)
Электронно-	Преиму-	Электрическое	Да	Нет	Моделирование
перепрограм-	щественно				устройств
мируемое ПЗУ	чтение
(EEPROM)
флэш-память	Чтение/	Электрическое	Нет	Нет	Цифровые камеры
(Flash)	запись

Микросхемы процессоров и шины 177

Микросхемы процессоров и шины

Поскольку нам уже известна некоторая информация о МИС, СИС и микросхе­мах памяти, то мы можем сложить все составные части вместе и изучать целые системы. В этом разделе сначала мы рассмотрим процессоры на цифровом ло­гическом уровне, включая цоколевку (то есть значение сигналов на различных выводах). Поскольку центральные процессоры тесно связаны с шинами, которые они используют, мы также кратко изложим основные принципы разработки шин. Б следующих разделах мы подробно опишем примеры центральных процессоров и шин для них.

Микросхемы процессоров

Все современные процессоры помещаются на одной микросхеме. Это делает впол­не определенным их взаимодействие с остальными частями системы. Каждая мик­росхема процессора содержит набор выводов, через которые происходит обмен информацией с внешним миром. Одни выводы передают сигналы от централь­ного процессора, другие принимают сигналы от других компонентов, третьи дела­ют и то и другое. Изучив функции всех выводов, мы сможем узнать, как процессор взаимодействует с памятью и устройствами ввода-вывода на цифровом логичес­ком уровне.

Выводы микросхемы центрального процессора можно подразделить на три типа: адресные, информационные и управляющие. Эти выводы связаны с соответству­ющими выводами на микросхемах памяти и микросхемах устройств ввода-вывода через набор параллельных проводов (так называемую шину). Чтобы вызвать ко­манду, центральный процессор сначала посылает в память адрес этой команды по адресным выводам. Затем он запускает одну или несколько линий управления, чтобы сообщить памяти, что ему нужно, например, прочитать слово. Память выда­ет ответ, помещая требуемое слово на информационные выводы процессора и по­сылая сигнал о том, что это сделано. Когда центральный процессор получает дан­ный сигнал, он принимает слово и выполняет вызванную команду. ■ Команда может требовать чтения или записи слов, содержащих данные. В этом случае весь процесс повторяется для каждого дополнительного слова. Как проис­ходит процесс чтения и записи, мы подробно рассмотрим ниже. Важно понимать, что центральный процессор обменивается информацией с памятью и устройства­ми ввода-вывода, подавая сигналы на выводы и принимая сигналы на входы. Дру­гого способа обмена информацией не существует.

Число адресных выводов и число информационных выводов - два ключевых параметра, которые определяют производительность процессора. Микросхема, содержащая m адресных выводов, может обращаться к 2 т ячейкам памяти. Обыч­но m равно 16, 20, 32 или 64. Микросхема, содержащая п информационных выво­дов, может считывать или записывать n-битное слово за одну операцию. Обычно п равно 8, 16, 32, 36 или 64. Центральному процессору с 8 информационными выво­дами понадобится 4 операции, чтобы считать 32-битное слово, тогда как процес­сор, имеющий 32 информационных вывода, может сделать ту же работу в одну

Глава 3. Цифровой логический уровень

операцию. Следовательно, микросхема с 32 информационными выводами работа­ет гораздо быстрее, но и стоит гораздо дороже.

Кроме адресных и информационных выводов каждый процессор содержит вы­воды управления. Выводы управления регулируют и синхронизируют поток дан­ных к процессору и от него, а также выполняют другие разнообразные функции. Все процессоры содержат выводы для питания (обычно +3,3 В или +5 В), «земли» и синхронизирующего сигнала (меандра). Остальные выводы разнятся от процес­сора к процессору. Тем не менее выводы управления можно разделить на несколь­ко основных категорий:

1. Управление шиной.

2. Прерывание.

3. Арбитраж шины.

4. Состояние.

5. Разное.

Ниже мы кратко опишем каждую из этих категорий. Когда мы будем рассмат­ривать микросхемы Pentium II, UltraSPARC II и picojava II, мы дадим более по­дробную информацию. Схема типичного центрального процессора, в котором ис­пользуются эти типы сигналов, изображена на рис. 3.31.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM), которое еще называют встроенной программой, представляет собой интегральную микросхему, при изготовлении запрограммированную определенными данными. ПЗУ используются не только в компьютерах, но и в большинстве других электронных устройств.

Прежде чем говорить о конкретных типах современных микросхем памяти, надо немного вспомнить прошлое и разобраться в основных принципах работы электронной памяти и особенностях ее адресации.

Компьютеры, в отличие от людей, которые пользуются десятичной системой счисления, используют двоичную арифметику, т. е. в любом разряде машинного числа может находиться либо "0" -- нет, либо "1" -- да. Соответственно, и каждая ячейка электронной памяти компьютера должна запоминать одно из двух значений -- 0 или 1. Самое простое запоминающее устройство -- это набор тумблеров или реле, которые замыкают или размыкают электрическую цепь. Если вспомнить, то старинные вычислительные машины как раз использовали для оперативной памяти реле, а в качестве ПЗУ применялись обычные тумблеры (и это не удивительно, т. к. даже мини-ЭВМ 80-х годов прошлого века имели панель с набором тумблеров для ввода команд).

Развитие полупроводниковых технологий привело к тому, что для электронной памяти персонального компьютера в большинстве случаев используются кремниевые интегральные микросхемы. А минимальная ячейка памяти в микросхеме -- это триггер, который в самом простейшем случае собирается на двух транзисторах. Но поскольку для управления триггером требуются цепи управления, то элементарная запоминающая ячейка современной статической памяти, которая применяется, в частности, для кэш-памяти, содержит иногда до десятка транзисторов. Для примера на рис. 12 показана схема ячейки памяти КМОП-микросхемы. В ней из шести КМОП-транзисторов только транзисторы V3 и V5 отвечают за хранение информации, а остальные используются по другому назначению.

Так как в современном компьютере применяются микросхемы, содержащие сотни тысяч ячеек, то для упрощения управления запоминающие ячейки группируются в квадратные матрицы. Для обращения к конкретной ячейке памяти используется адрес, формируемый из номера строки и столбца (рис. 13). Как только на шинах столбцов и строк будет установлен правильный адрес нужной ячейки, на выходе матрицы появится напряжение, соответствующее информации, записанной в ячейку памяти. Заметим, что такой принцип адресации используется и для чтения или записи байта в оперативной памяти, но при этом за каждый разряд байта или слова отвечает своя запоминающая матрица, которая, чаще всего, находится в отдельной микросхеме.

Для записи информации в конкретную ячейку микросхемы предназначен всего один вывод. Когда на шине адреса установится нужный адрес ячейки памяти, то, хотя сигнал записи будет подан на все ячейки, запись произойдет только в ту ячейку, которая будет в данный момент выбрана (адресована).

Рисунок 12. Схема ячейки памяти КМОП-микросхемы

Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице хорошо иллюстрируется на примере ферритовой памяти (рис. 14). На заре компьютерной эры она представляла собой небольшие ферритовые колечки, находящиеся в узелках проволочной сетки. Чтобы сформировать сигнал чтения и записи, через все колечки продевался отдельный провод. Заметим, что для записи "1" и "0" использовалось свойство ферромагнетиков перемагничи-ваться под действием электрического тока. Самые маленькие ферритовые колечки были диаметром всего около 1 мм. С появлением полупроводниковых микросхем памяти о ферритовой памяти надолго забыли, но совсем недавно появились микросхемы FeRAM, в которых сочетается кремниевая технология производства микросхем и свойство ферромагнитных материалов изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного магнитного поля.

Процессоры имеют шину данных, кратную 8 разрядам, например, 8, 16, 32 или 64. В старых персональных компьютерах электронная память собиралась из микросхем, имеющих, например 64, 128, 256 и т. д. ячеек. На системных платах персональных компьютеров IBM PC можно было увидеть ряды микросхем памяти, занимающих там слишком много места. Чтобы уменьшить количество микросхем и упростить их электрические соединения друг с другом, на одном кремниевом кристалле стали создавать несколько отдельных матриц запоминающих ячеек. Наиболее популярными оказались варианты, когда микросхема памяти имеет разрядность равную 4 и 8, что позволило уменьшить количество корпусов на плате.

Рисунок 13

В документации и прайс-листах на микросхемы памяти всегда указывается не только общий ее объем, но и как организованы ячейки памяти. Например, ниже приводятся строчки из прайс-листа на микросхемы динамической памяти DDR и SDRAM:

· DDR 256Mb, 32Мх8, 266MHz;

· DDR 128Mb, 1бМх8, 266MHz;

· SDRAM 256Mb, 32Mx8, 133MHz;

· SDRAM 128Mb, 16Mx8, 133MHz.

Рисунок 14. Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице

Заметьте, что в начале идет условное обозначения типа микросхемы, а в конце указывается максимальная тактовая частота шины, на которой они могут работать. Объем памяти в микросхеме указывается в двух вариантах: 256Mb -- общее количество ячеек памяти в микросхеме; 32Мх8 -- это обозначение показывает, что на каждый разряд приходится по 32 Мбайт (также используется термин "глубина адресного пространства", от англ, address depth). Если умножить 32 Мбайт на 8, то получается 256 Мбайт

3.1.Микросхемы памяти

Преимущество памяти, изображенной на рис. 3.28, состоит в том, что подобная структура применима при разработке памяти большого объема. Мы нарисовали схему 4x3 (для 4 слов по 3 бита каждое). Чтобы расширить ее до размеров 4x8, нужно добавить еще 5 колонок триггеров по 4 триггера в каждой, а также 5 входных и 5 выходных линий. Чтобы перейти от размера 4x3 к размеру 8x3, мы должны добавить еще четыре ряда триггеров по три триггера в каждом, а также адресную линию А2. При такой структуре число слов в памяти должно быть степенью двойки для максимальной эффективности, а число битов в слове может быть любым. Поскольку технология изготовления интегральных схем хорошо подходит для

производства микросхем с внутренней структурой повторяемой плоской поверхности, микросхемы памяти являются идеальным применением для этого. С развитием технологии число битов, которое можно вместить в одной микросхеме, постоянно увеличивается, обычно в два раза каждые 18 месяцев (закон Мура). С появлением больших микросхем маленькие микросхемы не всегда устаревают из-за компромиссов между преимуществами емкости, скорости, мощности, цены и сопряжения. Обычно самые большие современные микросхемы пользуются огромным спросом и, следовательно, стоят гораздо дороже за 1 бит, чем микросхемы небольшого размера.

При любом объеме памяти существует несколько различных способов орга-

низации микросхемы. На рис. 3.30 показаны две возможные структуры микросхемы в 4 Мбит: 512 Кх8 и 4096 Kxl. (Размеры микросхем памяти обычно даются в битах, а не в байтах, поэтому здесь мы будем придерживаться этого соглашения.) На рис. 3.30, а можно видеть 19 адресных линий для обращения к одному из 219 байтов и 8 линий данных для загрузки или хранения выбранного байта.

Сделаем небольшое замечание по поводу терминологии. На одних выводах

высокое напряжение вызывает какое-либо действие, на других - низкое напряжение. Чтобы избежать путаницы, мы будем употреблять термин «установить сигнал»,когда вызывается какое-то действие, вместо того чтобы говорить, что напряжение повышается или понижается. Таким образом, для одних выводов установка сигнала значит установку на 1, а для других - установку на 0. Названия выводов, которые устанавливаются на 0, содержат сверху черту. Сигнал CS устанавливается на 1, а сигнал CS - на 0. Противоположный термин - «сбросить».

А теперь вернемся к нашей микросхеме. Поскольку обычно компьютер содержит много микросхем памяти, нужен сигнал для выбора необходимой микросхемы, такой, чтобы нужная нам микросхема реагировала на вызов, а остальные нет.

Сигнал CS (Chip Select - выбор элемента памяти) используется именно для этой цели. Он устанавливается, чтобы запустить микросхему. Кроме того, нужен способ отличия считывания от записи. Сигнал WE (Write Enable - разрешение записи) используется для указания того, что данные должны записываться, а не считываться. Наконец, сигнал (Ж (Output Enable - разрешение выдачи выходных сигналов) устанавливается для выдачи выходных сигналов. Когда этого сигнала нет, выход отсоединен от остальной части схемы. На рис. 3.30, б используется другая схема адресации. Микросхема представляет собой матрицу 2048x2048 однобитных ячеек, что составляет 4 Мбит. Чтобы обратиться к микросхеме, сначала нужно выбрать строку. Для этого И-битный номер этой строки подается на адресные выводы. Затем устанавливается сигнал RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки). После этого на адресные выводы подается номер столбца и устанавливается сигнал CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). Микросхема реагирует на сигнал, принимая или выдавая 1 бит данных.

Большие микросхемы памяти часто производятся в виде матриц mxn, обращение к которым происходит по строке и столбцу. Такая организация памяти сокращает число необходимых выводов, но, с другой стороны, замедляет обращение к микросхеме, поскольку требуется два цикла адресации: один для строки, а другой для столбца. Чтобы ускорить этот процесс, в некоторых микросхемах можно вызывать адрес ряда, а затем несколько адресов столбцов для доступа к последовательным битам ряда.

Много лет назад самые большие микросхемы памяти обычно были устроены

так, как показано на рис. 3.30, б. Поскольку слова выросли от 8 до 32 битов и выше, использовать подобные микросхемы стало неудобно. Чтобы из микросхем 4096 Kxl построить память с 32-битными словами, требуется 32 микросхемы, работающие параллельно. Эти 32 микросхемы имеют общий объем, по крайней мере, 16 Мбайт. Если использовать микросхемы 512 Кх8, то потребуется всего 4 микросхемы, но при этом объем памяти будет составлять 2 Мбайт. Чтобы избежать наличия 32 микросхем, большинство производителей выпускают семейства микросхем с длиной слов 1,4, 8 и 16 битов.

3.2.ОЗУ и ПЗУ

Все виды памяти, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одно общее свойство: в них можно и записывать информацию, и считывать ее. Такая память называется ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Существует два типа ОЗУ: статическое и динамическое. Статическое ОЗУ конструируется с использованием D-триггеров. Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание: секунды, минуты, часы и даже дни. Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня.

В динамическом ОЗУ, напротив, триггеры не используются. Динамическое

ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженными, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку данных. Поскольку об обновлении должна заботиться внешняя логика, динамическое ОЗУ требует более сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток компенсируется большим объемом.

Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), динамическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микросхему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динамических ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств.

Существует несколько типов динамических ОЗУ. Самый древний тип, кото-

рый все еще используется, - FPM (Fast Page Mode - быстрый постраничный режим). Это ОЗУ представляет собой матрицу битов. Аппаратное обеспечение представляет адрес строки, а затем - адреса столбцов (мы описывали этот процесс, когда говорили об устройстве памяти, показанном на рис. 3.30, 6).

FPM постепенно замещается EDO1 (Extended Data Output - память с расши-

ренными возможностями вывода), которая позволяет обращаться к памяти еще до того, как закончилось предыдущее обращение. Такой конвейерный режим не ускоряет доступ к памяти, но зато увеличивает пропускную способность, выдавая больше слов в секунду. И FPM, и EDO являются асинхронными. В отличие от них так называемое синхронное динамическое ОЗУ управляется одним синхронизирующим сигналом. Данное устройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ. Синхронное динамическое ОЗУ часто используется при производстве кэш-памяти большого объема. Возможно, данная технология в будущем станет наиболее

предпочтительной и в изготовлении основной памяти.

ОЗУ - не единственный тип микросхем памяти. Во многих случаях данные

должны сохраняться, даже если питание отключено (например, если речь идет об игрушках, различных приборах и машинах). Более того, после установки ни программы, ни данные не должны изменяться. Эти требования привели к появлению ПЗУ (постоянных запоминающих устройств), которые не позволяют изменять и стирать хранящуюся в них информацию (ни умышленно, ни случайно). Данные записываются в ПЗУ в процессе производства. Для этого изготавливается трафарет с определенным набором битов, который накладывается на фоточувствительный материал, а затем открытые (или закрытые) части поверхности вытравливаются.

Единственный способ изменить программу в ПЗУ - поменять целую микросхему. ПЗУ стоят гораздо дешевле ОЗУ, если заказывать их большими партиями, чтобы оплатить расходы на изготовление трафарета. Однако они не допускают изменений после выпуска с производства, а между подачей заказа на ПЗУ и его выполнением может пройти несколько недель. Чтобы компаниям было проще разрабатывать новые устройства, основанные на ПЗУ, были выпущены программируемые ПЗУ. В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях эксплуатации, что позволяет сократить время выполнения заказа. Многие программируемые ПЗУ содержат массив крошечных плавких перемычек. Можно пережечь определенную перемычку, если выбрать нужную строку и нужный столбец, а затем приложить высокое напряжение к определенному выводу микросхемы.

Следующая разработка этой линии - стираемое программируемое ПЗУ, которое можно не только программировать в условиях эксплуатации, но и стирать с него информацию. Если кварцевое окно в данном ПЗУ подвергать воздействию сильного ультрафиолетового света в течение 15 минут, все биты установятся на 1.

Если нужно сделать много изменений во время одного этапа проектирования, стираемые ПЗУ гораздо экономичнее, чем обычные программируемые ПЗУ, поскольку их можно использовать многократно. Стираемые программируемые ПЗУ обычно устроены так же, как статические ОЗУ. Например, микросхема 27С040 имеет структуру, которая показана на рис. 3.30, а, а такая структура типична для статического ОЗУ.

Следующий этап - электронно-перепрограммируемое ПЗУ, с которого мож-

но стирать информацию, прилагая к нему импульсы, и которое не нужно для этого помещать в специальную камеру, чтобы подвергнуть воздействию ультрафиолетовых лучей. Кроме того, чтобы перепрограммировать данное устройство, его не нужно вставлять в специальный аппарат для программирования, в отличие от стираемого программируемого ПЗУ, Но с другой стороны, самые большие электронно-перепрограммируемые ПЗУ в 64 раза меньше обычных стираемых ПЗУ, и работают они в два раза медленнее. Электронно-перепрограммируемые ПЗУ не могут конкурировать с динамическими и статическими ОЗУ, поскольку они работают в 10 раз медленнее, их емкость в 100 раз меньше, и они стоят гораздо дороже. Они

используются только в тех ситуациях, когда необходимо сохранение информации при выключении питания.

Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ - флэш-память. В отличие от стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультрафиолетовых лучей, и от электронно-программируемого ПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками. Как и любое электронно-перепрограммируемое ПЗУ, флэш-память можно стирать, не вынимая ее из микросхемы. Многие изготовители производят небольшие печатные платы, содержащие десятки мегабайтов флэш-памяти. Они используются для хранения изображений в цифровых камерах и для других целей. Возможно, когда-нибудь флэш-память вытеснит диски, что будет грандиозным шагом вперед, учитывая время доступа в 100 не. Основной технической проблемой в данный момент является то, что флэш-память изнашивается после 10 000 стираний, а диски могут служить годами независимо от того, сколько раз они перезаписывались. Краткое описание

различных типов памяти дано в табл. 3.2.

Лекция 8. Микросхемы управления и сопряжения.

1. Микросхемы процессора.

2. Шины и принципы их работы.

3. Средства сопряжения.