11320

Запоминающие устройства и их применения

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Занятие 9 Запоминающие устройства Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить принципы построения и разновидности запоминающих устройств. 2. Показать методику увязки учебного материала с ранее изученным. 3. Воспитывать умение выделять главное при консп...

Русский

2013-04-07

163.5 KB

44 чел.

Занятие 9 Запоминающие устройства

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения и разновидности запоминающих устройств.

2. Показать методику увязки учебного материала с ранее изученным.

3. Воспитывать умение выделять главное при конспектировании

   учебного материала.

Время: 2 часа.

     План лекции:

п/п

Учебные  вопросы

Время мин.

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Общие сведения и классификация

2. Принципы построения оперативных запоминающих устройств.

3.Особенности постоянных запоминающих устройств.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

5

80

10

45

 

25

5

Материальное обеспечение:

 1. Компьютерный комплекс и демонстрационная программа    

               "Запоминающие устройства".

 2. Плакат "Запоминающие устройства".

Литература:

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные   системы. – М.Горячая линия – Телеком, 2000г., с.173-181.

 

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Важное место в любом компьютере занимают устройства памяти. В памяти находятся тексты программ, исходные данные, результаты вычислений. Память во многом определяет характеристики и возможности компьютера. В компьютере всю память делят на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память располагается в непосредственной близости к процессору. Информация из внутренней памяти в любой момент времени с достаточно большой скоростью может быть использована в процессе вычислений. Однако объем такой памяти имеет предел. Внешняя память имеет объем в тысячи раз превышающий внутреннюю. Однако данные из этой области памяти не могут быть сразу использованы компьютером. Сначала информация должна быть передана во внутреннюю память, поэтому затраты времени на работу с ней возрастают.  В данной лекции будут рассмотрены принципы построения основных типов внутренней памяти и их основные характеристики.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Общие сведения и классификация запоминающих устройств

Запоминающими устройствами (ЗУ) называют такие цифровые устройства, которые способны запомнить большой объем информации в двоичном коде, хранить и при необходимости воспроизвести ее. Для сравнения различных ЗУ между собой вводится система параметров. Основными параметрами являются информационная емкость, разрядность слова и быстродействие.

Информационная емкость определяется максимальным числом бит хранимой информации. Один бит информации представляет собой один разряд двоичного числа. На практике используются более крупные единицы измерения информационной емкости ЗУ: 1Кбит, 1Мбит, 1Гбит.

1Кбит = 210 или 1024бит,

1Мбит = 210 или 1024Кбит,

                                         1Гбит = 210 или 1024Мбит.

Часто за единицу хранимой информации принимается 1 байт. ЗУ с информационной емкостью в один байт представляет собой устройство, в котором может храниться 8-разрядная двоичная кодовая комбинация. Тогда кратные ей единицы будут: 1Кбайт, 1Мбайт, 1Гбайт.

Разрядность слова определяет организацию ЗУ. Обычно организация любого ЗУ определяется соотношением MN, где М – число слов, которые могут храниться в данном ЗУ, а N – разрядность слова. Разрядность слова ЗУ является достаточно важной характеристикой. При равном количестве запоминаемых слов ЗУ с большей разрядностью слова имеет большую информационную емкость.

Быстродействие ЗУ определяет время записи или считывания информации. Это время также называют временем обращения к памяти, которое составляет десятки наносекунд.

ЗУ, используемые для организации памяти компьютера, делятся на два класса: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

ОЗУ предназначены для хранения изменяемой в процессе вычислений информации. Такие ЗУ позволяют в любой момент времени произвести запись или считывание информации, поэтому их называют оперативными ЗУ. По принципу действия различают два типа ОЗУ: динамические и статические. Статические ОЗУ (RAM) в качестве элемента памяти используют триггер на биполярных транзисторах. Они обладают хорошей помехоустойчивостью и высоким быстродействием. Однако из - за сложности запоминающего элемента не удается получить большой информационной емкости. Кроме того, они имеют сравнительно большое потребление энергии. Динамические ОЗУ (DRAM) выполняются по МОП – технологии, а в качестве запоминающего элемента используется емкость затвор – сток транзистора. За счет тока утечки эта емкость разряжается. В заряженном состоянии она может находиться в течении нескольких миллисекунд. К концу этого периода специальное устройство должно произвести подзаряд емкости, т.е. регенерацию информации. Так как процесс регенерации должен происходить постоянно во время хранения, то такие ОЗУ получили название динамических. Такие ОЗУ позволяют получить большую информационную емкость и имеют значительно меньшую потребляемую мощность. Однако управление динамическими ЗУ усложняется из - за невозможности доступа к хранимой информации во время регенерации.

Характерной особенностью как статических, так и динамических ОЗУ является то, что они требуют для своей работы источников питания, поэтому такие ЗУ еще называют энергозависимыми. При пропадании питания записанная в них информация разрушается.

ПЗУ предназначены для хранения неизменной информации: констант, программ начального запуска и тестирования компьютера и т.п. Такие ЗУ позволяют осуществлять только считывание записанной в них информации. В свою очередь ПЗУ делятся на масочные, программируемые и репрограммируемые.

ПЗУ масочного типа (ROM) программируются в процессе их изготовления. Записанная при изготовлении информация в последующем не может быть изменена.

Программируемые ПЗУ (PROM) изготовляются таким образом, чтобы каждый потребитель смог занести в них необходимую для него информацию с помощью специального устройства – программатора. Однако записанная информация уже не может быть изменена.

Репрограммируемые ПЗУ (EPROM)  как и программируемые позволяют записать информацию, а при необходимости стереть ее и произвести перепрограммирование.

Важной особенностью всех ПЗУ являтся их энергонезависимость, т. е. Способность сохранить информацию при пропадании питания.

2. Принципы построения ОЗУ

В современных компьютерах наиболее широкое применение находят полупроводниковые ЗУ, т.е. запоминающие устройства, выполненные в виде полупроводниковых интегральных микросхем. В качестве примера рассмотрим принцип построения и режимы работы простейшего статического ОЗУ емкостью 64 бит с организацией 164, условное графическое обозначение которого приведено на рис.1а. В такое ЗУ можно записать 16 четырехразрядных слов. О том,  что это статическое ОЗУ, говорит буквенное обозначение RAM в основном поле прямоугольника. В данной микросхеме информационные входы и выходы совмещены и обозначены слева как D0 – D3. Входы А0 – А3 называются адресными. На них будут подаваться двоичные кодовые комбинации, которые определяют номер ячейки, к которой происходит обращение. Управляющий вход /RD – определяет режим работы ЗУ. При подаче на данный вход 0 схема переходит в режим записи информации, а при 1 – в режим считывания. Инверсный вход - выбор кристалла. Работа микросхемы возможна только при подаче на этот вход 0. Если на данный вход подается 1, то микросхема отключается от информационных входов-выходов.

Упрощенная структурная схема данного ОЗУ приведена на рис. 1б. Схема содержит матрицу запоминающих элементов. В данном ЗУ запоминающий элемент представляет собой RS-триггер, собранный на двух биполярных транзисторах. Триггеры объединены в ячейки по четыре и напоминают чем-то параллельный четырехразрядный регистр.

Следующим элементом схемы ОЗУ является дешифратор, входами которого являются адресные входы ЗУ. Номер ячейки в двоичном коде или ее адрес преобразуется в сигнал 1 на одном из выходов дешифратора. Эта единица подается на соответствующую ячейку и активизирует ее. При этом прямые выходы триггеров и установочные входы каждого разряда подключаются к выходам матрицы.

Информационные входы рассматриваемого ЗУ могут подключаться к входам усилителей записи или к выходам усилителей считывания. В соответствии с управляющим сигналом  на входе /RD устройство управления при = 0 осуществляет переключения усилителей для обеспечения выбранного режима работы.

При рассмотрении работы схемы ЗУ можно выделить следующие режимы работы: записи, хранения и считывания.

А) Режим записи. Для записи информации в выбранную ячейку памяти на адресные входы ЗУ А3 – А0 подается двоичная кодовая комбинация, соответствующая номеру (адресу) выбранной ячейки. В следующий момент времени на вход выбора кристалла  и на вход выбора режима работы /RD подается 0. Под воздействием этих сигналов управляющее устройство подключает к информационным входам усилители записи, выходы которых соединяются с установочными входами триггеров выбранной ячейки памяти. После этого на информационные входы ЗУ подается кодовая комбинация, которую следует записать в ячейку памяти. Триггеры ячейки памяти под воздействием этой кодовой комбинации изменяют свои состояния в соответствии со значениями разрядов записываемого слова. После этого снимается код адреса ячейки, а на управляющие входы  и /RD подается 1.На этом процесс записи информации заканчивается.

Б) Режим хранения. Для хранения записанной информации следует обеспечить на входе  сигнал 1. Как было отмечено выше, при этом информационные входы ЗУ отключаются от матрицы запоминающих устройств. При этом подача любых адресов и изменения сигналов на информационных входах не приведут к изменению записанной информации, так как триггеры сколь угодно долго могут сохранять свое состояние в отсутствии управляющих сигналов, но только при условии, что питание на них подается постоянно. Даже при кратковременном  пропадании питания информация разрушается, поскольку после включении питающего напряжения триггеры принимают произвольные состояния.

В) Режим считывания. Для считывания информации, записанной в ЗУ, на адресные входы А3 – А0 подается двоичный адрес ячейки, из которой требуется считать информацию. В следующий момент времени подается  0 на вход и 1 – на вход /RD. Под воздействием данных управляющих сигналов к прямым выходам триггеров выбранной ячейки подключаются входы усилителей считывания, которые соединяются с информационными выходами D3 – D0 и информация с выходов триггеров через усилители считывания появляется на выходах ЗУ. Очевидно, что при таком считывании информация не разрушается, а поэтому процесс считывания может осуществляться многократно. Время, в течении которого на информационных выходах ЗУ сохраняется считанная информация определяется временем сохранения на входах адресных и управляющих сигналов, при снятии которых входы отключаются – на них устанавливаются нулевые потенциалы.

3. Особенности постоянных ЗУ

ПЗУ строятся аналогично, но как было отмечено выше, они предназначены для хранения информации, которая остается в процессе работы неизменной. Условное графическое обозначение полупроводникового ПЗУ приведено на рис. 2.

Как видно из рисунка, отличите6льной особенностью ПЗУ будет отсутствие входа выбора режима работы, так как подобные ЗУ предназначены только для хранения информации и не имеют режима записи. Остальные входы имеют  назначение, как и в ОЗУ, а процесс считывания информации происходит в той же последовательности, как это было показано при рассмотрении ОЗУ. По способу занесения информации в ПЗУ различают масочные, программируемые и репрограммируемые ПЗУ.

 А) Масочные ПЗУ. Отличительной особенностью масочных ПЗУ является способ изготовления матрицы запоминающих элементов. В качестве примера на рис. 3 представлен один из возможных вариантов исполнения матрицы. Матрица образована системой пересекающихся шин. Горизонтальные шины В3 – В0 называют адресными. К адресным шинам подключаются выходы дешифратора адреса. Вертикальные шины С3 – С0 называют разрядными. Разрядные шины подключаются к входам усилителя считывания. В качестве запоминающих элементов могут использоваться транзисторы как биполярные, так и полевые или диоды, которые включаются в точки пересечения адресных и разрядных шин. Причем, наличие полупроводникового элемента соответствует 1, а его отсутствие – 0. При изготовлении такой микросхемы на полупроводниковом кристалле формируются все полупроводниковые элементы (в данном случае диоды). На последнем этапе изготовления с помощью специальной маски производится металлизация, в процессе которой образуются соединения диодов с шинами. Путем металлизации производится подключение тех диодов, которые должны обеспечить 1 в соответствующем разряде. Поскольку металлизация является заключительным этапом изготовления интегральной схемы, то такое ПЗУ можно запрограммировать только на заводе изготовителе.

Масочные ПЗУ могут работать только в режиме считывания. Для считывания информации на адресные входы подается в двоичном коде номер ячейки, с которой необходимо произвести считывание. Кодовая комбинация преобразуется дешифратором в сигнал 1 на одном из выходов, которая поступает на соответствующую адресную шину. Через полупроводниковые диоды сигнал 1 появляется на тех разрядных шинах, которые имеют соединение с данной адресной шиной. В следующий момент времени на вход выбора кристалла  подается сигнал 0. По этому сигналу управляющее устройство подключает выходы усилителей считывания к выходам микросхемы D3 – D0 и информация с разрядных шин через усилители считывания поступает на выход схемы. Время существования кодовой комбинации на выходах определяется длительностью 0 на входе выбора кристалла и временем сохранения адреса на адресных входах.

Б) Программируемые ПЗУ. Принципы построения таких ЗУ ничем не отличаются от рассмотренных выше. В матрице ПЗУ также имеются все полупроводниковые элементы, а в процессе металлизации производится их соединение с адресными и разрядными шинами. Однако последовательно с полупроводниковыми элементами включаются плавкие перемычки как это показано на рис. 3. Программирование схемы осуществляется потребителем с помощью специального устройства – программатора. В процессе программирования подаются импульсы тока на выбранные перемычки, которые расплавляются и связь диода с разрядной шиной нарушается. При считывании информации на одну из адресных шин с выхода дешифратора подается 1. На разрядной шине, которая осталась соединенной с выбранной адресной шиной, образуется сигнал 1. На разрядной шине, которая оказалась отключенной в результате расплавления перемычки, остается 0. Очевидно, что такие ПЗУ находят более широкое применение, так как в них может быть занесена та информация, которая требуется потребителю. Однако записанная один раз информация уже не может быть исправлена, что является недостатком ПЗУ данного типа.

В) Репрограммируемые ПЗУ относятся к разряду ПЗУ со стиранием хранимой в них информации. После стирания в таких ПЗУ возможно занесение новых данных в. Перепрограммирование ПЗУ возможно из - за применения в качестве запоминающих элементов МОП-транзисторов с плавающим затвором. Особенности построения таких транзисторов поясняет рис. 4.

Затвор транзистора размещается в слое диэлектрика из нитрида кремния, который имеет свойство продолжительное время сохранять заряды. В исходном состоянии транзистор находится в закрытом состоянии. Поскольку канал отсутствует, то прохождение через него тока начинается при значительном напряжении между стоком и истоком транзистора. Характеристика, показывающая зависимость тока стока от  приложенного между стоком и истоком напряжения представлена на рис. 5 (кривая 2). Если с помощью программатора подать на такой транзистор импульс напряжения порядка 40-60 вольт, то под воздействием приложенного напряжения с затвора удаляются положительные заряды. В результате этого на плавающем затворе остаются отрицательные заряды, которые притягивают к границе подложки положительные заряды, образующие канал между истоком и стоком транзистора.  Теперь протекание тока через транзистор начинается при прикладывании небольшого напряжения (рис. 5кривая 1). Для возвращения транзистора в исходное состояние (снятия заряда с плавающего затвора) необходимо произвести облучение кристалла ультрафиолетовым излучением через специальную кварцевую пластину в корпусе микросхемы. Комнатное освещение и солнечный свет не оказывают заметного влияния на состояние транзистора даже при длительном освещении. Ультрафиолетовое облучение продолжительностью 10-30 минут полностью возвращает запрограммированные транзисторы в исходное состояние.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Таким образом, в ходе данной лекции рассмотрены принципы построения оперативных и постоянных запоминающих устройств. Работа ОЗУ показана на примере статического ЗУ. ПЗУ строятся аналогичным образом, но позволяют только считывать заложенную в них информацию. ПЗУ, информация в которые вводится в процессе их изготовления, называют масочными. Они достаточно просты, но не допускают каких либо изменений информации. Программируемые ПЗУ выпускаются готовыми к программированию, но после программирования также не допускают изменения хранимой информации. Репрограммируемые или перепрограммируемые ПЗУ допускают многократное изменение информации и по своим возможностям чем -то напоминают ОЗУ, но процессы стирания и программирования занимают достаточно много времени, поэтому такие ЗУ не могут считаться оперативными, где эти процессы занимают десятки – единицы наносекунд.

Задание на самостоятельную работу:

1. Изучить материал по учебнику [1] стр. 173-181.

Доцент кафедры №9                             Б.Степанов

Рецензент  полковник                          Г.Журбин

УСИЛИТЕЛЬ

ЗАП. / СЧИТ

МАТРИЦА

ЗАПОМИ-

НАЮЩИХ

ЭЛЕМЕН-ТОВ

ДЕШИФРАТОР

УПР.

У-ВО

A0

A1

A2

A3

D0  D1  D2  D3

RD

Рис. 1

А)

В)

А0

А1

А2

А3

RD

D0

D1

D2

D3

RAM

А0

А1

А2

А3

D0

D1

D2

D3

RОM

Рис. 2

В3

В2

В1

В0

С3

С2

С1

С0

Рис. 2

В3

В2

В1

В0

С3

С2

С1

С0

Рис. 3

+ + + + + + + +

--- ----

-  -  -  -  -  -

И

СИ

Р+++

Р+++

n

Рис. 4

UСИ

5

10

15

0

20

2

1

IСТ

Рис. 5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3534. Определение потенциалов возбуждения и понизации атомов методом Франка и Герца 51.5 KB
  Определение потенциалов возбуждения и понизации атомов методом Франка и Герца. Цель работы. Опытное подтверждение дискретности уровней энергии атомов, определения потенциалов возбуждения и понизации. Указания по организации самостоятельной работы....
3535. Основные признаки политических прав и свобод человека в Российской Федерации 122.84 KB
  Институт прав и свобод является центральным в конституционном праве. Он закрепляет свободу народа и каждого человека от произвола государственной власти. Это сердцевина конституционного строя. Каждый индивид вправе требовать от государства ...
3537. Проблема рассказчика у А.С. Пушкина и Н.В. Гоголя, признанных мастеров слова 477 KB
  Для ценителя и исследователя литературы различие категорий "автор", "образ автора", "лирический герой", "образ рассказчика" очевидно. И все же в нашей работе важно сразу определить данные понятия. Действительно, категории "образ автора", "л...
3538. Изучение аналого-цифрового преобразователя 417.5 KB
  Изучение аналого-цифрового преобразователя Изучить функционирование встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера АТmega8535, получить практические навыки программирования микроконтроллера для обработки аналоговых сигналов. По...
3539. Информационные технологии в социально-культурном сервисе и туризме. 1.53 MB
  Информационные технологии в социально-культурном сервисе и туризме. Рассмотрены и проанализированы основные направления использования современных компьютерных технологий в социально-культурном сервисе и туризме. Показаны роль и влияние информационны...
3540. Рынок земли 435.5 KB
  Термин «земля» охватывает все блага, данные природой в определенном объеме, регулировать который человек не властен, будь то сама земля, водные ресурсы или полезные ископаемые. Для фермера участок земли служит средством для возделывания сельскохозяйственных культур, для горожанина – территориальной площадкой для размещения жилых и производственных зданий
3542. Открытие и развитие нового производства на примере ООО Ариран 706 KB
  Хотя планирование успешно применяется в корпорациях и компаниях развитых стран мира уже столетия и считается необходимой предпосылкой эффективного и стабильного бизнеса, в России при переходе к рыночным отношениям оно оказалось практи...