27
Prof.univ.dr.ing. Oniga Ștefan SISTEME CU CIRCUITE INTEGRATE DIGITALE (EA II) ELECTRONICA DIGITALA (CAL II)
Prof.univ.dr.ing. Oniga Ștefan
SISTEME CU CIRCUITE INTEGRATE DIGITALE (EA II)ELECTRONICA DIGITALA (CAL II)
• Stochează informații binare care reprezintă date sau instrucțiuni (program)• Flip-flop –ul de tip D din componența registrelor permite stocarea unui singur bit • Memoriile permit stocarea unor informații pe mai mulți biți• Datele se memorează în diferite formate (pe unul sau mai mulți biți), de obicei
multiplu de 8• 8 bit = byte; 2 byte = word; 32 bit = double-word, 64 bit=quad-word.• Locul unde se stochează o unitate de date se numește adresă.• De ex. • Rândul 7 rândul 2, coloana 8
Memorii
12345678
12345678
1 2 3 4 5 6 7 8
• Dimensiunea memoriei (N elemente, locații)• Numărul de biți de adresă, este o funcție de N : log2(N)• (Dacă avem n biți de adresă, memoria are N=2n locații )• Lungimea cuvintelor memorate: w• Modul de organizare a memoriei• Viteza• Ta: timpul de acces la memorie (access time): timpul necesar de la plasarea
adresei pe magistrala de adrese până la apariția datelor pe magistrala de date• Tct: timpul între cicluri (cycle time): timpul minim între două accesări (în modul
burst)
Parametrii memoriilor
Memorie Mag. dateMag. Add.
Cerere acces
• Capacitatea de memorare = numărul de celule de memorie = număr locații (cuvinte) x (bit/cuvânt)
• De obicei multiplu de 1K (=1024). • Ex. de organizare a unei memorii de 64 biți:
– a.) 8 cuvinte de 8 biți– b.) 16 cuvinte de 4 biți– c) 64 cuvinte de 1 biți
Organizarea memoriei
1 1 12 2 23 3 34 4 45 5 56 6 678
1 2 3 4 5 6 7 814 6215 6316 64
1 2 3 4 1a) 8x8 b) 16x4 c) 64x1
Tipuri de memorie
• RAM (Random Access Memory) - memorii cu acces aleator, pot fi scrise și citite. – La oprirea alimentării își pierd conținutul, se numesc memorii volatile. – Magistrala de date este bidirecțională.
• ROM (Read Only Memory) – Meorii care pot fi numai citite– La oprirea alimentării datele se păstrează, se numesc memorii nevolatile– Există memorii ROM, care pot fi scris eo singură dată (OTP: One Time Programmable
devices), utilizate la serii mari după încheierea procesului de dezvoltare a produsului.– Memoriile EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) care pot fi numai citite de
către sistemul care le utilizează, ştergerea fiind posibilă numai cu ajutorul razelor UV, dar nu este selectivă în raport cu informaţia înscrisă.
– EEPROM Electricaly Eraseable Programmable Read Only Memory) care pot fi atât citite cât şi şterse în mod selectiv şi reprogramate pe cale electrică de către sistemul care le utilizează.
– Un tip special de memorii EEPROM o reprezintă memoriile FLASH, care din punct de vedere tehnologic este din categoria memoriilor ROM, dar din punct de vedere a caracteristicilor funcționale se încadrează mai degrabă în categoria memoriilor RAM.
Tipuri de memorie
• Adresarea memoriei se face prin magistrala de adrese (Address bus) .
• Decodoare interne selectează datele pe baza adresei furnizate.
• Datele sunt vehiculate pe magistrala de date (data bus).
Rowaddressdecoder
Address bus Data bus
Write
Memory array
Read
Column address decoder
• Comenzi:
• Read Enable (RE) și Write Enable (WE)
• Chip Select (CS) sau Chip Enable (CE)
• Output Enable (OE)
Adresare memoriilor
Scrierea și citirea
76543210
0 0 0 0 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 1 1 0 10 0 0 0 0 1 1 01 1 1 1 1 1 0 01 0 0 0 0 0 0 101
00
11
00
11
01
01
11
1 0 1
1
0 0 1
2
01 1 0 1
3
Address register Data register
Address bus
Address decoder Byte organized memory array
Write
Data bus
SCRIEREA1. Se pune adresa pe magistrala de adrese.2. Datele care trebuie memorate se pun pe magistrala de date.3. Cu activarea semnalului write datele sunt înscrise la locația dorită.
Scrierea și citirea
CITIREA1. Se pune adresa pe magistrala de adrese.2. Se activează semnalul Read. 3. Datele apar pe magistrala de date.
76543210
0 0 0 0 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 1 1 0 10 0 0 0 0 1 1 01 1 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 101
00
11
00
11
01
01
11
0 1 1
1
0 0 0
3
11 0 0 1
2
Address register Data register
Address bus
Address decoder Byte organized memory array
Read
Data bus
Memoriile RAM
• Permit accesul aleator la date în regim scriere și citire.• Se pot realiza în două tehnologii:
- În memoriile RAM statice (SRAM) – elementele de memorare sunt bistabile. - În memoriile RAM dinamice (DRAM) - elementele de memorare sunt
condensatoare.
StaticRAM
(SRAM)
DynamicRAM
(DRAM)
AsynchronousSRAM
(ASRAM)
SynchronousSRAM withburst feature(SB SRAM)
ExtendedData OutDRAM
(EDO DRAM)
BurstEDO DRAM
(BEDODRAM)
Fast PageMode
DRAM(FPM DRAM)
SynchronousDRAM
(SDRAM)
Random-Access
Memory(RAM)
Tipuri de memorii
Tipuri de memorii
Tipuri de memorii
Memoriile RAM statice (SRAM)
• La oprirea alimentării își pierd conținutul.• Cât timp sunt alimentate își păstrează conținutul (nu trebuiesc reîmprospătate).• Pot fi realizate în tehnologie bipolară, nMOS sau CMOS (6 tranzistoare). • Au capacitate mai mică dar sunt mai rapide decât memoriile DRAM, (deoarece nu trebuie reîmprospătate). • Consum mare. Densitate de integrare de 4x mai mică.
Row Select 1
Row Select 2
Row Select n
Row Select 0
Memory cell
Data Input/OutputBuffers and Control
Data I/OBit 0
Data I/OBit 1
Data I/OBit 2
Data I/OBit 3
Memorii statice RAM asincrone
G2
G1
Address lines
Address lines
Eightinput buffers
I/O0
I/O7
CS
OEWE
Rowdecoder
Memory array
Column I/O
Column decoder
256 rows x128 columns x
8 bits
Input data control
Ciclul de citire (Read):• Se pune o adresă validă pe mag. de adrese• Chip select = LOW• Output enable = LOW• Datele apar pe mag. de date
Ciclul de citire (Write):• Se pune o adresă validă pe mag. de adrese• Chip select = LOW• Write enable = LOW• Punem datele pe magistrala de dateUn SRAM tipic: 512 k X 8 bits.
Memoriile RAM dinamice (DRAM)
• Se realizează de obicei în tehnologie CMOS.• Chiar și în prezența alimentării trebuiesc reîmprospătate permanent la 2-10 ms, deoarece în timp conținutul dispare.• Consum mic• capacitate mai mare decât la SRAM, dar mai lente (reîmprospătare!)• Timpul de acces de două ori mai mare decât al ciclului R/W :
• 2*T(R/W Cycle) = T(Access Time).• Construcție mai simplă (1 tranzistor + condensator), față de SRAM. Densitate de integrare de 4x mai mare.
• Utilizări: memorii sisteme de calcul (DDR-, DDR-II, DDR3-SDRAM)
Memoriile RAM dinamice (DRAM)
1 2
Dataselector
Rowdecoder
Memory array
1024 rows×1024 columns
12
Columndecoder
Input/Output buffersand
Sense amplifier
12
Columnaddress
latch
Rowaddresslatch
Refresh counter
Refreshcontrol
andtiming
A0/A1 0A1/A11A2/A1 2A3/A1 3A4/A1 4A5/A1 5A6/A1 6A7/A1 7A8/A1 8A9/A1 9
CASRAS
Addresslines
DOUTDIN
R/W E
1024
1024
1024
În cazul memoriilor de capacitate mare cum ar fi de ex. „1M x 1” bit adresele (20 biți) se împart în adrese linii și de coloane (multiplexate în timp)-Row address-Column addressAstfel se obține a arhitectură 2D
Row address is latched when RAS is LOW
Column address is latched when CAS is LOW
RAS
CAS
Addresses
Împrospătarea memoriilor DRAM
• Trebuiesc reîmprospătate la 2-10 ms, deoarece informația se stochează pe un condensator pe care tensiunea scade exponențial în timp.
• La reîmprospătare se dă un singur semnal CAS (adresă coloană), urmată de toate adresele de linie pe durata RAS.
Diagramele de timp ale memoriei RAM dinamice asincrone
•Ciclu de citire Ciclu de scriere
• Adrese: selecție linie, coloana (RAS-CAS). • Adresa liniei (Row), urmată de adresa coloanei (Col) apar pe magistrala de adrese. • Memoria devine disponibilă (setup time). • În funcție de timpul de acces al memoriei (Tacc) după scurt timp datele devin valide (Valid). • RAS este eliberat (T REL) ieșirea revine în starea tri-state.
ROM (Read Only Memory)
• Datele memorate pot fi doar citite • Scrierea datelor se poate face doar cu ajutorul unui programator
• Programarea poate avea loc• La producător prin mască (Mask ROM), la producător în timpul procesului de
fabricație,• La utilizator,
• o singură dată - PROM (Programabble Read Only Memory),• de mai multe ori – EPROM (Erasable Programabble Read Only Memory),
ștergere cu raze UV• EEPROM –ok (Electrical Erasable Programabble Read Only Memory) ștergere
pe cale electrică (în sistem).
Read-OnlyMemory(ROM)
ElectricallyErasablePROM
(EEPROM)
MaskROM
ErasablePROM
(EPROM)
UltravioletEPROM
(UV EPROM)
ProgrammableROM
(PROM)
ROM (Read Only Memory)
ROM 256×4
0
&EN
7
A0
255
∆
∆
∆
∆
Address input lines
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
E0
E1
O0
O1
O2
O3
Data outpu lines
• Triunghiul din dreptul unui terminal simbolizează un port de ieșire (tri-state)• Citirea ROM:
• Se pune adresa pe magistrala de adrese• După activarea CS la scurt timp (access time) datele apar pe ieșiri
Address input lines
Data outputs
Address transition
Data output transition
ta
Chip select
Valid data on output lines
Valid address on input lines
Programarea prin mască Mask ROM
• Tehnologie bipolară- În primele etape ale procesului tehnologic
se realizează matricea de memorie lăsând întrerupte legăturile bazelor la linia de cuvânt (l0, l1, l2, l3).
- Programarea - o etapă a procesului de fabricaţie în care cu ajutorul unei măşti, se realizează unele dintre legăturile l0,..,l3.
- Cost ridicat, mai ales pentru serii mici
• Tehnologie unipolară- se face pe baza tabelului privind conţinutul
matricei de memorie, furnizat de utilizator- În primele etape ale procesului de fabricaţie
se realizează toate tranzistoarele MOS, cu excepţia depunerii stratului izolant al porții şi a electrodului poartă.
- În etapa de programare, tranzistoarele inactive se realizează cu o grosime mai mare a stratului izolant al porţii, iar cele active cu o grosime mai mică.
Programarea de către utilizator PROM, EPROM și EEPROM
• Memoriile bipolare- PROM: ROM programabil, elementele de memorie pot fi
considerate pelicule subţiri de crom-nichel (f0, f1, f2, f3),fuzibile, prin trecerea unui curent de programare Ip, intens(zeci sau sute de mA) şi de scurtă durată (zeci de ms) princircuitul marcat cu linie întreruptă.
- Diodele d au rolul de a împiedica ramificarea curentului deprogramare spre f2, f1 și f0.
• Memoriile unipolare- Portă flotantă neconectată și plasată izolat. În procesul de
programare la utilizator, prin aplicarea impulsurilor deprogramare este realizată dezactivarea unor tranzistoare, înconformitate cu programul ce urmează să fie înscris.Ştergerea informației înscrise, se poate face prin iradiereamatricei de memorie cu radiaţii UV prin fereastra de cuarţ cucare este prevăzută capsula.
EPROM2048 × 8
&EN
0
10
02047A
∆
∆
∆
∆
∆
∆
∆
∆
O0O1O2O3O4O5O6O7
A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10
CE/PGM
OE
VPP
Memoriile Flash
• Memoriile Flash sunt memorii nevolatilecare pot fi scrise și citite.
• Chiar și în absența alimentării pot stocainformația înscrisă.
• Utilizează ca element de memorare untranzistor MOS cu poartă flotantă (floatinggate). Poarta flotantă stochează un zerologic daca punem tensiune pozitivă pepoarta de control.
Controlgate
Floatinggate Drain
Source
MOStransistorsymbol
––––––
––––––
–
–
logic 0 is stored logic 1 is stored
Extinderea capacităţii memoriilor
• Extinderea capacităţii se poate obţine acţionând asupra numărului de cuvinte, numărul biţilor pe cuvânt sau mixt.
• Modificarea numărul biţilor/cuvânt (extindere la ieşire),
• Numărul de biți de adresă este neschimbat , magistrala de date se mărește
m bits
m bitsAddressbus
m bits
2n bits
Controlbus
Data bus
RAM 2m× 2n
Datain/out
RAM 22m × n
RAM 12m × n
Datain/out
∆∆
n bits n bits
Extinderea capacităţii memoriilor
• Extinderea numărului de cuvinte
• Se realizează prin extindere de adresă
• Număr de biți/cuvânt neschimbat
Databus
RAM 2M × 8
Addressbus
21 bits
Controlbus
20 bits
EN
EN
RAM 21M × 8
RAM 11M × 8
8 bits
8 bits
8 bits
20 bits
Extinderea capacităţii memoriilor
