Ramięci RAM. Dymaniczne i statyczne. Parametry, właściwości , budowa komórek

SPIS TREŚCI

1. WSTĘP 3
1.1. Parametry 3
2. OMÓWIENIE PAMIĘCI O DOSTĘPIE SWOBODNYM (RAM) 5
2.1. Podział 5
2.2. PAMIĘĆ DRAM 7
2.3. PAMIĘĆ SRAM 8

1. Wstęp

1.1. Parametry

Pamięci są to układy logiczne służące do przyjmowania, przechowywania i wydawania zakodowanych informacji (danych). Jednym z rodzajów pamięci są pamięci półprzewodnikowe. Informacja jest zapisywana i pamiętana w postaci ciągów zer – jedynkowych. Jeden element takiej informacji nazywa się bitem (1b), 8 – bitowy element – bajtem (1B), a 16 – bitowy element – słowem 32 – bitowym.

Najważniejszymi parametrami specyfikowanymi dla pamięci są:
1) pojemność,
2) szybkość,
3) koszt,
4) pobór mocy.

Pojemność pamięci (wielkość) oznacza ilość informacji jaką można w niej przechowywać. Mierzy się ją w jednostkach informacji takich jak: bity, bajty lub słowa. Może być ona wyrażona w kilobitach (Kb), megabitach (Mb), gigabitach (Gb), lub kilobajtach (KB), megabajtach (MB), gigabajtach (GB). Pojemność pamięci operacyjnych określa się podając liczbę słów i długość słowa. Liczbę słów podaje się używając przedrostków odpowiadających odpowiednim mnożnikom.
1 KB odpowiada 210 = 1024 bajtom;
1 MB odpowiada 220 = 1024 • 1024bajtom;
1 GB odpowiada 230 = 1024 • 1024 • 1024bajtom.
Przykładowo pojemność pamięci może wynosić 512Kx64, co oznacza, że jest to 219 słów 64-bitowych. W przypadku gdy słowo ma długość 8 bitów pojemność pamięci jest podawana w bajtach. Wówczas np. 128 KB oznacza 217 bajtów.

Szybkość pracy pamięci jest parametrem wskazującym na to, jak często procesor lub inne urządzenie może korzystać z niej. Jest ona określana kilkoma parametrami. Są to:
czas dostępu (ang. access time),
czas cyklu (ang. cycle time),
szybkość transmisji (ang. transfer speed).

Czas dostępu jest to czas jaki upływa od momentu zażądania informacji z pamięci do momentu, w którym ta informacja ukaże się na wyjściu pamięci. Dla pamięci operacyjnych czas ten wynosi od 20 ns do 200 ns.

Czas cyklu jest to najkrótszy czas jaki musi upłynąć pomiędzy dwoma żądaniami dostępu do pamięci. Zwykle czas ten jest nieco dłuższy od czasu dostępu, a wynika to z fizycznej realizacji pamięci, tj. opóźnień wnoszonych przez układy elektroniczne.

Szybkość transmisji mierzy się liczbą bitów (bajtów) jaką można przesłać w jednostce czasu pomiędzy pamięcią a innym urządzeniem. Parametr ten jest szczególnie ważny w pamięciach, w których adresowane są fragmenty większe niż słowo (np. pamięci dyskowe). Ponieważ w takich pamięciach odczytuje się lub zapisuje bloki słów, to mniej istotny jest czas dostępu do pamięci, a bardziej istotny jest czas w jakim taka porcja informacji może zostać przesłana. Najczęściej szybkość transmisji mierzy się w bitach lub bajtach na sekundę.
Nowe technologie pozwalają na ciągłe zmniejszanie kosztu produkcji pamięci i ulepszanie ich parametrów. Dlatego pamięci dość szybko starzeją się, a często po paru latach są wycofywane z użytku. Taki los spotkał rdzeniowe pamięci ferrytowe, które w latach sześćdziesiątych dominowały jako pamięci operacyjne komputerów, a teraz nie są już spotykane. Najniższym kosztem, wśród pamięci operacyjnych komputerów, charakteryzują się pamięci półprzewodnikowe. Jednak one także różnią się między sobą pojemnością i szybkością działania, a co za tym idzie i ceną. Produkowane są tanie układy scalone pamięci półprzewodnikowych, ale charakteryzują się one niezbyt dużą szybkością działania. Natomiast szybkie układy pamięciowe mają niewielkie pojemności a cena ich jest stosunkowo duża. Dlatego poszukuje się nowych rozwiązań w architekturze komputerów, które pozwolą na optymalizację pracy komputerów, a w szczególności parametrów pamięci. Jednym ze stosowanych rozwiązań dla pamięci operacyjnych jest zastosowanie dwóch rodzajów pamięci półprzewodnikowych: pamięci szybkich, ale o mniejszej pojemności i pamięci wolniejszych, ale o dużych pojemnościach. Pamięci wolniejsze umożliwiają budowanie pamięci operacyjnych o dużych pojemnościach, a pamięci szybkie, o mniejszych pojemnościach, umożliwiają przyspieszenie pracy. Szybka pamięć o niewielkiej pojemności współpracująca z pamięcią operacyjną jest nazywana pamięcią kieszeniową (ang. Cache memory).

Pobór mocy jest też ważnym parametrem, którego znaczenie uwypukla się przy budowaniu pamięci operacyjnych o bardzo dużych pojemnościach, gdzie istnieje problem połączenia dużej liczby układów scalonych i odprowadzenie wydzielanego ciepła. Innym przykładem konieczności dążenia do zmniejszania pobieranej mocy komputerów, a co za tym idzie i pamięci, są komputery kieszonkowe.
Pamięć jest zbudowana z rejestrów (komórek), w których zapamiętywane jest słowo 1 -, 4 -, 8 – bitowe. W każdej komórce przypisany jest adres, czyli numer zapisany w kodzie dwójkowym oznaczający położenie informacji.
Jeśli chcemy odczytać (lub zapisać) daną informację, trzeba na wejścia adresowe pamięci podać numer komórki, w której się ona znajduje, a także na wejścia sterujące, odpowiednie sygnały.
Do zaadresowania N = 2n komórek pamięci potrzebnych jest n wejść adresowych. Dla przykładu: 1 KB = 210 bajtów informacji, trzeba 10 wejść adresowych, a 16 KB = 216 bajtów informacji – 14 wejść adresowych.
Jak już wspomniano, informacja jest zapisywana i odczytywana w postaci ciągów zero – jedynkowych, dlatego też numery komórek zapisuje się w kodzie szesnastkowym.
Pamięci posiadają:
wejścia adresowe (A0,...,An);
wejścia / wyjścia danych (D0,...,Dn);
wejścia sterujące (WE, CS, OE), służące do wyboru funkcji wykonywanej przez układ,
niekiedy wejścia strobujące adresów (ALE, RAS, OE).
Ze względu na budowę oraz właściwości pamięci półprzewodnikowe dzieli się na:
pamięci o dostępie swobodnym, typu zapis / odczyt
pamięci stałe , tylko do odczyt

W dalszej czesci omówione będą pamieci o dostępie swobodnym (RAM)

2. Omówienie pamięci o dostępie swobodnym (RAM)

Współczesna pamięć RAM jest realizowana sprzętowo w postaci układów scalonych występujących w różnych technologiach lub jako fragmenty bardziej złożonych scalonych układów cyfrowych (np. pamięć cache L1 procesora, a ostatnio także L2) oraz w postaci różnych modułów, znajdujących głównie zastosowanie w komputerach.

Pamięci RAM są wykorzystywane do ciągłego zapisu w postaci słowa lub bitu, zapamiętania i odczytu informacji. Zapewniają one jednakowo szybki dostęp do każdej komórki pamięci. Czynność zapamiętania (odczytu) oznacza konieczność stosowania układów sekwencyjnych, w których informacje są zapisywane (odczytywane) w określonej kolejności. Dlatego dostęp do danej informacji zależy od miejsca (adresu) jej przechowywania i czasu oczekiwania na rozpoczęcie operacji zapisu (odczytu).

2.1. Podział

Rozróżnia się pamięci:
statyczne SRAM - komórką pamiętającą jest przerzutnik bistabilny (najczęściej asynchroniczny typu RS) w technologii MOS lub technologii bipolarnej. Zapisana informacja utrzymuje się w nich dopóki nie zostanie zastąpiona inną albo nie zaniknie napięcie zasilające.
dynamiczne DRAM – funkcje elementów pamiętających pełnią pojemności wejściowe tranzystorów MOS gromadzące ładunek lub odprowadzające go. Zawartość tych elementów musi być odświeżana, musi być uzupełniany ubytek ładunku.

a) EDO DRAM (Extended Data-Out DRAM)
b) FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM)
c) SDRAM (Synchronous DRAM)

Pamięci RAM komórki pamięciowe ułożone są w słowa, wybierane wejściem adresowym – całość można przedstawić jako dwuwymiarową matrycę składającą się z n słów m - bitowych, czasami podzieloną na robocze obszary zwane np. strefami (ang. zone).

Dekoder wejściowy oraz wyjścia współpracują z rejestrami równoległymi, gdyż operacja odczytywania i zapisywania w pamięci trwa z reguły kilka cykli zegarowych, podczas których zawartość informacji na szynach adresowej i danych może się zmieniać.

W zależności od stanu logicznego na wejściu R/W układ komórek pamięciowych przyjmuje informację z rejestru danych (zapisywanie) lub wprowadza na rejestr danych (odczytywanie). Poprzez 2-kierunkowy bufor rejestr przekazuje lub odbiera informację z szyny danych.

Na rys. przedstawiono uproszczony schemat funkcjonalny pamięci o dostępie swobodnym.



2.2. PAMIĘĆ DRAM

Informacja w niej przechowywana w postaci ładunku zgromadzonego na kondensatorze C1. W wyniku rozładowania kondensatora (Q = 0)powstaje na nim napięcie równe zeru logicznemu, natomiast w wyniku ładowania – napięcie o wartości odpowiadającej logicznej jedynce.

Przy organizacji adresu jak wyżej, komórka ta ma wejście adresowe ak dla wierszy i jedną linie danych wspólną dla komórek w kolumnie adresowej bj. Tranzystor T2 jest wspólny dla kolumny adresowej bj. Gdy komórka jest wybrana, tzn. na wejściach adresowych ak i bj jest stan wysoki, pojemność C1 jest dołączona do linii danych.

Przy zapisie jest doprowadzone do niej ze wzmacniacza zapisu napięcie odpowiadające jedynce lub zeru logicznemu. Przy odczycie ładunek z pojemności C1 przemieszcza się do pojemności C2 przez co napięcie odczytu


Pojemność C2 >> C1, gdyż składa się z pojemności dren, stąd Uodcz << Uc1. Właściwość ta wymaga dobrych wzmacniaczy odczytu uzupełnionych układem odświeżania pamięci (odświeżanie dokonywane po każdym odczycie i cyklicznie bez względu na odczyt).
Inne możliwe rozwiązanie polega na zastosowaniu komórek pamięciowych wielotranzystorowych lecz z prostym układem wzmacniacza odczytu i zapisu oraz układem odświeżania.
Typową strukturę pamięci dynamicznej o pojemności 64 kbitów pokazano na rys. 6.4. Matryca pamięciowa jest zbudowana 256 kolumn i 256 wierszy. W celu zmniejszenia liczby końcowej pamięci dynamicznej i ułatwienia jej odświeżania, wejścia adresowe są multipleksowane.
Adresowanie polega na podaniu najpierw ośmiu bardziej znaczących bitów adresu (adres wiersza), a następnie ośmiu mniej znaczących bitów (adres kolumny).
Adres wiersza jest wpisywany z wejść adresowych do rejestru wiersza RR przy narastającym zboczu sygnału RAS (ang. Row Addres Select). Stąd poprzez demultiplekser (dekoder adresu) wybierany jest odpowiadający mu wiersz.
Adres kolumny jest wpisywany z wejść do rejestru kolumny CR przy narastającym zboczu sygnału CAS (ang. Column Addres Select). Stąd poprzez demultiplekser wybierana jest odpowiadająca mu kolumna. Jednoczesne wybranie wiersza i kolumny w matrycy odpowiada wskazaniu ściśle określonej komórki pamięci.



Rys. Struktura pamięci dynamicznej RAM.

Gdy wejście WE = 0 wówczas zawartość wybranej komórki jest przesyłana na wyjście układu (operacja czytania danych z komórki pamięci). Gdy natomiast WE = 1 następuje zapisanie informacji wejściowej do komórki wybranej według odpowiedniego adresu.

2.3. PAMIĘĆ SRAM

Na rys. przedstawiono schemat podstawowej komórki pamięci statycznej.
Zasadniczą częścią komórki jest przerzutnik bistabilny zbudowany z tranzystorów T1 i T2. Tranzystory T3 i T4 pełnią funkcję kluczy przyłączających i odłączających przerzutnik od linii bitów. Podczas odczytywania (zapisywania) informacji z komórki pamięci stanowią one zwarcie, przyłączając przerzutnik do wejścia (wyjścia) – linia bitu.
Poszczególne pamięci tworzą matrycę zbudowaną z wierszy i kolumn. Położenie komórki w takiej matrycy określa adres składający się z numeru wiersza i numeru kolumny.


Rys. Schemat elementarnej komórki pamięci statycznej RAM.
Na rys. poniżej przedstawiono strukturę pamięci statycznej RAM o pojemności wynoszącej 16 KB. Pamięć ta ma trzy wejścia sterujące:


- uaktywnienie pamięci,
- zezwolenie na odczyt
- zezwolenie na zapis.

Gdy wejście CS = 1, wówczas pamięć jest „wyłączona” i wejścia / wyjścia danych są w stanie wielkiej impedancji (odłączone). Gdy CS = 0, pamięć jest aktywna. Jeżeli wówczas OE = 0, to układ wykonuje operację odczytu danych z komórek o numerze określonym za pomocą wejść adresowych. Jeżeli natomiast WE = 0, to układ wykonuje operację zapisu danych do pamięci.

Pamięć ta jest zbudowana z ośmiu matryc po 128 wierszy i 128 kolumn. Do jej zaadresowania potrzeba 14 wejść adresowych. Bardziej znaczące bity adresu (A0 - A6) są podawane na wejścia adresowe demultipleksera, w celu wybrania jednego ze 128 wierszy. Z kolei mniej znaczące bity adresu (A7 – A13) są podawane na wejścia adresowe innego demultipleksera, w celu wybrania jednej ze 128 kolumn. W ten sposób zostało wybranych 8 komórek (o takim samym adresie) po jednej z każdej matrycy, co umożliwia odczyt lub zapis jednego słowa 8-bitowego (bajta).
Spotyka się różne rozwiązania adresowania, zapisywania i odczytywania pamięci RAM. W stosowanych aktualnie pamięciach o dużych pojemnościach adresowanie jest dwuwymiarowe, podzielone na wiersze i kolumny.

Pamięci DRAM są wolniejsze od pamięci SRAM. Stosuje się je jednak znacznie częściej, ponieważ są tańsze. Na jedną komórkę pamięci dynamicznej potrzeba czterokrotnie mniej tranzystorów, co powoduje czterokrotne zmniejszenie pobieranej mocy i zwiększenie gęstości upakowania (na takiej samej powierzchni mieści się cztery razy więcej komórek pamięci dynamicznej niż statycznej).

Pamięci RAM o dużych rozmiarach (rzędu Mbitów) są również realizowane jako dynamiczne. Tylko technologia MOS jest przydatna do tego celu gdyż tylko tranzystory MOS mogą zapewnić wielkie rezystancje wejściowe i wyjściowe oraz długotrwałe utrzymanie ładunku na pojemności. Ładunek ten utrzymuje się przez czas rzędu ms, pamięci DRAM wymagają więc cyklicznego odświeżania z f = kilkaset Hz.