Память. Нижний уровень

Микросхемы памяти

Интегральные микросхемы памяти организованы в виде матрицы ячеек, каждая из которых, в зависимости от разрядности, состоит из одного или более запоминающих элементов (ЗЭ) и имеет свой адрес. Каждый ЗЭ способен хранить один бит информации. При матричной организации ИМС памяти (см. рисунок ниже) реализуется координатный принцип адресации ячеек.

Структурная схема микросхемы памяти

Адрес ячейки, поступающий по шине адреса ЭВМ, пропускается через логику выбора, где он разделяется на две составляющие: адрес строки и адрес столбца. Адреса строки и столбца запоминаются соответственно в регистре адреса строки и регистре адреса столбца микросхемы. Регистры соединяются каждый со своим дешифратором. Выходы дешифраторов образуют систему горизонтальных и вертикальных линий, к которым подсоединены запоминающие элементы матрицы, при этом каждый ЗЭ расположен на пересечении одной горизонтальной и одной вертикальной линии. ЗЭ, объединенные общим горизонтальным проводом, принято называть строкой (row). Запоминающие элементы, подключенные к общему вертикальному проводу, называют столбцом (column). Фактически вертикальных проводов в микросхеме должно быть, по крайней мере, вдвое больше, чем это требуется для адресации, поскольку к каждому ЗЭ необходимо подключить линию, по которой будет передаваться считываемая и записываемая информация. Совокупность запоминающих элементов и логических схем, связанных с выбором строк и столбцов, называют ядром микросхемы памяти. Помимо ядра, в микросхеме имеется еще интерфейсная логика, обеспечивающая взаимодействие ядра с внешним миром. В ее задачи, в частности, входит коммутация нужного столбца на выход при считывании и на вход - при записи. На физическую организацию ядра, как матрицы однобитовых ЗЭ, накладывается логическая организация памяти, под которой понимается разрядность микросхемы, то есть количество линий ввода/вывода. Разрядность микросхемы определяет количество ЗЭ, имеющих один и тот же адрес (такая совокупность запоминающих элементов называется ячейкой), то есть каждый столбец содержит столько разрядов, сколько есть линий ввода/вывода данных. Для уменьшения числа контактов микросхемы адреса строки и столбца в большинстве микросхем подаются через одни и те же контакты последовательно во времени (мультиплексируются) и запоминаются, соответственно, в регистре адреса строки и регистре адреса столбца микросхемы.

Мультиплексирование обычно реализуется внешней логикой. Для синхронизации процессов фиксации и обработки адресной информации адрес строки (RA) сопровождается сигналом RAS (Row Address Strobe - строб строки), а адрес столбца (СА) - сигналом CAS (Column Address Strobe - строб столбца). Чтобы стробирование было надежным, эти сигналы подаются с задержкой, достаточной для завершения переходных процессов на шине адресаj/I в адресных цепях микросхемы. Сигнал выбора микросхемы CS (Crystal Select) разрешает работу схемы и используется для выбора определенной микросхемы в системах, состоящих из нескольких микросхем. Вход WE (Write Enable - разрешение записи) определяет вид выыполняемой операции (считывание или запись). На все время, пока микросхемы памяти не использует шину данных, информационные выходы микросхемы переводятся в третье (высокоимпедансное) состояние. Управление переключением в третье состояние о6еспечивается сигналом ОЕ (Output Enable - разрешение выдачи выходных сигналов). Этот сигнал активизируется при выполнении операции чтения. На рисунке (см. рисунок ниже) представлено изображение ОЗУ на принципиальных схемах.

Условное изображение ОЗУ

Структурная схема БИС динамического ОЗУ с четырьмя банками памяти показана на рисунке (см. рисунок ниже). Основными ее компонентами являются четыре банка памяти, представляющих собой матрицы элементов памяти с дешифраторами строк и столбцов и усилителями чтения-записи. Кроме собственно банков памяти, в состав ОЗУ входят:

  • буфер адреса, фиксирующий адреса строки и столбца;
  • счетчик регенерации, формирующий адрес строки, в которой должна выполняться очередная регенерация;
  • дешифратор команд, определяющий, какое действие (команду) должна выполнить микросхема в соответствии с поданными управляющими сигналами (и сигналомA10);
  • схемы управления, формирующие управляющие сигналы для остальных узлов микросхемы;
  • схемы коммутации данных, передающие читаемые или записываемые данные из/в банки памяти;
  • буфер ввода/вывода данных, обеспечивающий связь микросхемы памяти с шиной данных.


Управление операциями с основной памятью осуществляется контроллером памяти. Обычно этот контроллер входит в состав центрального процессора или реализуется в виде внешнего по отношению к памяти устройства. В последних микросхемах памяти часть функций контроллера возлагается на микросхему.

Структурная схема БИС динамического ОЗУ

В общем случае на каждую операцию (считывание или запись) требуется как минимум пять тактов, которые используются следующим образом:
1. Указание типа операции (чтение или запись) и установка адреса строки.
2. Формирование сигнала RAS.
3. Установка адреса столбца.
4. Формирование сигнала CAS.
5. Возврат сигналов RAS и CAS в неактивное состояние. Обратная запись.


Типовую процедуру доступа к памяти рассмотрим на примере чтения с мультиплексированием адресов строки столбцов. Сначала на входе WE
устанавливается уровень, соответствующий операции чтения, а на адресные контакты микросхемы подается адрес строки, сопровождаемый сигналом RAS. По заднему фронту этого сигнала адрес запоминается в регистре адреса строки, после чего дешифрируется. После стабилизации процессов, вызванных сигналом RAS, выбранная строка подключается к усилителям считывания/записи (УСЗ). Далее на вход подается адрес столбца, который по заднему фронту сигнала CAS заносится в регистр адреса столбца. Одновременно подготавливается выходной регистр данных, куда после стабилизации сигнала CAS загружается информация с выбранных УСЗ. Разработчики микросхем памяти тратят значительные усилия на повышение быстродействия микросхем. Возможности "ускорения" ядра микросхемы ЗУ весьма ограничены и связаны, в основном, с миниатюризацией запоминающих элементов. Наибольшие успехи достигнуты в интерфейсной части. Касаются они, главным образом, операций чтения, то есть способов доставки содержимого ячейки на шину данных. Наибольшее распространение получили следующие шесть фундаментальных подходов: последовательный, конвейерный, регистровый, страничный, пакетный, удвоенной скорости. Они будут рассмотрены при обсуждении типов микросхем.

Яндекс.Метрика