Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 215
Текст из файла (страница 215)
Всегда нетрудно написать программу, формирующую содержимое ПЗУ, которая позволяет справиться с необычными или неопределенными ситуациями, тогда как при другой реализации потребуются дополнительные аппарат- 10.2. Оперативные запоминающие устройстве 983 ные средства. Например, в программе сумматора, приведенной в табл. 10.7, легко преодолеваются случаи, когда сумма выходит за пределы диапазона представимых чисел. (См, также задачу 1О 22.) ° Функция, реализуемая с помощью ПЗУ, легко модифицируется всего лишь путем изменения содержимого ПЗУ, обычно без изменения каких-либо внешних соединений. Например, атгеиюатор и сумматор,и-ИКМ байтов, рассмотренные в этом разделе, можно приспособить для работы с 8-разрядными АИКМ словами в соответствии со стандартом кодового уплотнения речевого сигназа, принятым в Европе.
° Цены на ПЗУ и другие логические устройства с регулярной структурой неизменно падают, делая их применение более экономичным, а плотность компонентов в них постоянно увеличивается, в результате чего расширяется область задач, которые можно решить с помощью одной микросхемы.
Однако схемы, построенные на основе ПЗУ, имеют также недостатки: ° При реализации простых и умеренно сложных функций схемы на основе ПЗУ могут оказаться более дорогими„рассеивать ббльшую мощность или быть менее быстродействующими, чем схемы, построенные с применением нескольких МИС, СИС, ПЛУ или небольшой ИС типа РРОА. ° Применение ПЗУ в схемах с числом входов более 20 невозможно из-за ограниченных размеров имеющихся ПЗУ. Например, нельзя построить на основе ПЗУ 16-разрядный сумматор: для этого потребовалась бы память емкостью в миллиарды бит. 10.2. Оперативные запоминающие устройства Если к памяти можно обратиться в любой момент времени, чтобы запомнить в ней или извлечь из нее информацию, то ее называют памятью с чтением и записью (гваа71«гйв тета>у, )1)гМ). Большинство устройств памяти такого типа, применяемых сегодня в цифровых системах, являются оперативной памятью (ОЗУ) или памятью г произвольным доступам (гапг1от-ассвзз твтагу, )1АМ).
Это означает, что каждый раз при чтении или записи можно выбрать любую ячейку памяти. С этой точки зрения ПЗУ (КОМ) также является памятью с произвольным доступом, но название «ОЗУ» ("КАМ") обычно относится только к памяти с произвольным доступом, в которой возможны чтение и запись. В статическом ОЗУ (згаг)с йАМ, Ж4М) слово, записанное однажды в какую-то ячейку, сохраняется в ней пока на микросхему подано напряжение питания, если только содержимое этой ячейки не изменяется в результате новой записи. В динамическом ОЗУ(г1упат!с ВАМ, ОРАМ) данные, сохраняемые в каждой ячейке, необходимо периодически обновлять путем нх чтения и последующей повторной записи; в противном случае они будут потеряны.
В этой главе мы рассмотрим оба типа памяти. В большинстве ОЗУ храюпцаяся в них информация теряется при отключении питания; другими словами ОЗУ является энергозависимой памятью (га1а11!в тетагу). Но бывают также ОЗУ, называемые энергонезависимой памятью (попго1а111е тетку), которые сохраняют записанную в них информацию даже 984 Глава 10. Память и микросхемы типа СРЕ0 и РРОА при отключении питания.
Примерами энергонезависимых ОЗУ служат вышедшая из употребления память на магнитных сердечниках и современная статическая КМОП-память в сверхбольших изрпусах, внутри которых имеются литиевые батареи с 10-летним сроком службы. Недавно было объявлено о выпуске энергонезависимого гЬеррозввкзпрического ОЗУ ()вггое1есгггс йАМ); в этих устройствах в одной ИС объединены магнитные и электронные элементы, которые сохраняют свое состояние даже при отключенном питании точно так же, как в прежней памяти на магнитных сердечниках.
10.3.Статическиеоперативные запоминающие устройства 10.3.1. Входы и выходы статического ОЗУ Как и в случае ПЗУ, у ОЗУ имеются адресные входы, входы управления и выходы данных; но кроме этого у ОЗУ есть еще и входы данных. На рис. 10.19 показаны входы и выходы простого статического ОЗУ, предназначенного для хранения 2кхЬ битов. Кроме тех же входов управления, что и у ПЗУ, имеется вход разрвихекия записи ууЕ (нтйе-епаЬ)е три1).
Входные данные записываются в выбранную ячейку памяти, когда сигнал на входе ууЕ имеет активный уровень. выходы данных входы данных веды управления Рис. 10.19. Общая структура ОЗУ 2'хЬ Ячейки памяти статического ОЗУ ведут себя скорее как 0 защелки, а не как переключающиеся по фронту 0-триггеры. Это означает, что всякий раз, когда на вход ЧЕ полая сигнал активного уровня, защелка в выбранной ячейке памяти «открыта» 1или «прозрачна»): входные данные поступают на защелку и появляются на ее выходе.
Фактически запоминается то значение, которое присутствует на вхо- де зашел)си в момент ев звкпытия. З0 3. СтатИчЕСКИЕ ОПЕратИВНЫЕ ЗаПОМИНаЮщИЕ уСтрОйСтеа М86 ПАМЯТЬ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ДОСТУПОМ Памяти с произвольным доступом можно противопоставить память с последовательным доступом (лева!-ассе«в тетогу), у которой в каждый момент времени непосредственно доступна какая-то одна ячейка, а для доступа к другим ячейкам требуется выполнить дополнительные шаги. В некоторых первых компьютерах применялись электромеханические устройства памяти с последовательным доступом, такие как линии задержки и вращающиеся барабаны.
Программы и данные хранились на вращающемся носителе и в любой момент времени «головка чтенияУзаписи» располагалась только над одной ячейкой. Для доступа к произвольной ячейке необходимо бьшо ждать, когда в результате непрерывного вращения барабана требуемая ячейка окажется под головкой. В 1970 году были созданы электронные эквиваленты вращающейся памяти с последовательным доступом„в том числе память, состоящая из элементов с зарядовой связью (ПЗС), и память на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). Оба эти устройства, грубо говоря, эквивалентны очень большим регистрам сдвига с последовательным вводом и последовательным выводом, у которых выход соединен со входом.
Точка соединения является логическим эквивалентом «головки чтения/записи» жесткого диска. Для чтения содержимого конкретной ячейки на регистр сдвига необходимо подавать тактовые импульсы до тех пор, пока нужный бит не появится на последовательном выходе, а для записи в данную ячейку необходимо в этот момент подать на п оследовательный вход новое желаемое значение. В то время, логда создавались эти устройства, плотность размещения ячеек в них (число битов) была больше, чем у динамических ОЗУ; несмотря на это устройства памяти на ПЗС и цилиндрических магнитных доменах никогда не пользовались заметным успехом. Одной из причин этого было огромное неудобство последовательного доступа.
Другой причиной послужило то, что они никогда не опережали динамические ОЗУ по достигаемой в них плотнобти ячеек более чем на пару лет. Обычно у статического ОЗУ бывают только два режима доступа: На входы СВ и ОЕ поданы сигналы активного уровня, а на ад- ресные входы поступают сигналы адреса. С выходов защелок выбранной ячейки памяти данные поступают на выходы дан- ных 000Т. Режим чтения На адресные входы подаются сигналы адреса, а на входы дан- ных 0!й — слово данных; затем на входы СЯ и )Л/Е поступают сигналы активного уровня. Открываются защелки выбранной ячейки памяти и в них запоминается входное слово данных.
Режим записи При организации доступа к статическому ОЗУ требуется некоторая осторожность, поскольку в том случае, когда не удовлетворяются временные требования, предъявляемые микросхемой ОЗУ, при записи в выбранную ячейку возможно . непреднамеренное «зцтирание» информации, хранящейся в однои или в иескцль- 986 Глава 10. Память и микросхемы типа СРЕР и РРЕд ких других ячейках. Для того чтобы показать, почему это происходит, в следую- щем разделе приведена детальная внутренняя структура статического ОЗУ, а за- тем рассматриваются реальные временные соотношения и их соответствие предъявляемым требованиям. 10.3.2. Вко тРЕННЯЯ СтРУ тУРа СтатИЧЕСКОГО ОЗУ Схема в каждом двоичном разряде статического ОЗУ (ячейка сгпалгяческого ОЗУ; Ж4М сед) имеет вид, приведенный на рис. 10.20.
Элементом, хранящим информацию в каждой ячейке, служит Р-защелка. Когда на вход ЯЕ1Л подан сигнал активного уровня, сохраняемая в ячейке информация появляется на ее выходе, который соединен с соответствующей линией битов. Если сигнал активного уровня поступает на оба входа ВЕС Е и УУЯ 1„то защелка открыта и в ней запоминается новый бит данных. и опт зеь чуя и зес ь туя г Рис. 10.20. Функциональная модель ячейки статического ОЗУ ° При выполнении операций чтения выходные данные так же, как и в ПЗУ, являются комбинационными функциями сигналов на адресных входах. Изменение адреса в то время, когда разрешено появление выходных данных на шине, не наносит никакого вреда.
Время доступа при выполнении операции чтения отсчитывается от момента, когда последний из сигналов на адресном входе принимает установившееся значение. ° При выполнении операций записи входные данные заползинаются в защетках. Это означает, что данные должны удовлетворять определенным требованиям по времени установления и времени удержания относительно заднего перепада в сигнале на входе разрешения защелки. Другими словами, сигнал данных на Р-входе защелки не обязан оставаться неизменным в момент времени, когда сигнал МЯ Е внутри схемы переходит на активный уровень; сигнал данных должен оставаться неизменным лишь в течение некоторого времени, предшествующего тому моменту, когда сигнал МЯ Е переходит на неактивный уровень.
На рис. 10.21 показано, как ячейки статического ОЗУ, объединенные в виде матрицы, вместе с дополнительной управляющей логикой образуют законченное статическое ОЗУ емкостью 8х4 байтов. Как и в простом ПЗУ, с помощью дешифратора адресных линий в любой момент времени выбирается для доступа определенная строка статического ОЗУ. Хотя на рис. 10.21 приведена до некоторой степени упрощенная модель внутренней структуры статического ОЗУ, она достаточно точно отражает основные моменты в работе этого устройства: 10.3. Статические оперативные запоминающие устройства 987 ОВЕ очю линия ОЧИО линия х бита о дешичйоаюр 38 в оот $$.
Юй Чй СОТ 88$ вя 1й ООТ $ЕЕ Юй Чй ООТ ЗЕЧ Юй чи вл Бе. Яй Чй ООТ ЕЕЕ вя Чн ОЧЯ БЕЕ ЯЯ чи Оот БЕЕ ия в оот БЕЕ йй Чй ООТ зет Яй в сл мч вй в оот зи. ий !й ООТ Бе. Яй в оот Зе Яй и йо а чн сот Бв. Я'й чи ои зи. яв в оот ЯЕЧ Яй Чй ООТ БЕЕ ЧИЯ в аот $9. яв в оот зе. ЯН в оот зе.
яв чи сот ЗЕ1 яв Чн ОЧЛ ЗН вй чн Оот БЕ. Чтй чи оот В ООТ ВЕЕ ЧЧЯ в Оот БЕЕ ЧЧЯ ЗЕЕ ий ИЧй Е Ете ь Сз Е ое.з. ооотз соотг ооигт леото Рис. 10.21. Внутренняя структура статического ОЗУ 8х4. Во время операций записи сигналы на адресных входах ле должны изменяться в течение определенного времени установления до перехода сигнала БУВ т внутри схемы на активный уровень и в течение времени удержания после того, как сигнал уттт ~ перейдет на неактивный уровень. В противном случае данные могут оказаться «размазанными» по всему массиву ячеек из-за паразитных импульсов на линиях ВЕ~ 1„которые могут возникнуть при изменении сигналов на адресных входах дешифратора.
Сигнал БУВ ~ переходит на активный уровень внутри схемы только в том случае, когда активные значения имеют сигналы СВ !. и члтЕ ~ . Поэтому цикл записи (те Де сус!е) начинается с установления активного уровня сигналов СВ 1 и УУЕ т и заканчивается, когда любой из этих сигналов переходит на неактивный уровень. Время установления и время удержания адреса и данных определены относительно этих событий.
988 Глава 10. Память и микросхемы типа СРЕ0 и РРЕА 10.3.3. Временные параметры статического ОЗУ На рис. 10.22 приведены временные диаграммы н определение временных пара- метров, которые обычно задаются для операции чтения из статического ОЗУ: Время доступа по шине адреса (ассшз Вте7гот асИгезз).
Этим параметром определяется время, спустя которое выходные данные принимают установившееся значение после изменения адреса при условии, что сигналы ОЕ и СВ к этому времени уже имеют активный уровень или достаточно скоро должны стать такими. Когда разработчики говорят о 70-наносекундном статическом ОЗУ, обычно они имеют в виду этот параметр. Время доступа по входу выбора кристалла (ассезз Вте )тот сар зе1ес1) Этим параметром определяется время, спустя которое выходные данные принимают установившиеся значения после перехода сигнала СЯ на активный уровень при условии, что сигналы на адресных входах и сигнал ОЕ уже имеют активный уровень или достаточно скоро должны стать такими.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
