Електроний посібник з
дисципліни "Мікропроцесорні системи"
 
Дипломный проект
                                                                      1.2.7. Організація пам'яті

  Запам'ятовувальні пристрої (ЗП) призначені для зберігання інформації (даних). Вони поділяються на постійні запам'ятовувальні пристрої (ПЗП) і оперативні запам'ятовувальні пристрої (ОЗП).
ПЗП (ROM - Read Only Memory) - пристрій для зберігання й зчитування незмінних даних. Цей вид пам'яті призначено для зберігання програми, а також незмінних констант. Така пам'ять є енергонезалежною - при відключенні живлення записана інформація зберігається. Після поновлення живлення вона може бути зчитана.
  ОЗП (RAM - Random-Access Memory) - пристрій для запису, зберігання й зчитування змінюваних даних. У даному виді пам'яті зберігається інформація, що модифікується й використовується в процесі роботи. Це можуть бути різні змінні або результати проміжних і остаточних обчислень. Інформація при такому виді пам'яті губиться після вимикання живлення.
Основним параметром пам'яті є її обсяг, тобто кількість бітів інформації, які можуть у ній зберігатися. Для позначення обсягу використовуються наступні спеціальні одиниці:
• 1К  -  це  1024  (210)  і  читається  як  «кіло-»  або  «ка-».  Обсяг  пам'яті приблизно дорівнює однієї тисячі;
• 1М - це 1048576 (220) і читається як «мега-». Обсяг пам'яті приблизно дорівнює одному мільйону;
• 1Г - це 1073741824 (230) і читається як «гіга-». Обсяг пам'яті приблизно дорівнює одному мільярду.
  За видом організації пам'ять може бути однорозрядною з індивідуальним доступом до кожного біта та багаторозрядною з паралельним доступом до групи бітів. Групова організація має байтову структуру, від одного до 2n байтів. У свою чергу кожний байт складається з 8 бітів.
Під коміркою пам'яті може матися на увазі як однорозрядна, так і багаторозрядна структура. У другому випадку в позначенні додається цифра, що вказує на кількість одночасно доступних розрядів. Наприклад, RAM 2Kx8 має 2048 восьмирозрядних комірок пам'яті типу ОЗП.
Оперативні запам'ятовувальні пристрої
Основою елементарної комірки ОЗП є тригер. На рис. 1.32 зображена її функціональна схема. Запам'ятовування й зберігання інформації відбувається в D -тригері, який має динамічний вхід синхронізації із записом інформації за фронтом синхросигналу. Вихід тригера увімкнено через електронний ключ (ЕК), що реалізує лінію із трьома станами.

Рис. 1.32. Елементарна комірка ОЗП
Функціональна схема ЕК показана на рис. 1.33. Якщо на керуючому вході OE  присутній сигнал високого рівня, то транзистори VT1 й VT 4 замкнені й вихідна лінія перебуває у високоімпедансному стані. Еквівалентно це показано у вигляді розімкнутих ключів. Низький рівень сигналу призводить до відмикання транзисторів VT1, VT 4 . На вихідній лінії буде сигнал такого самого рівня, що й на вході. Оскільки ключ, виконаний на транзисторах VT 2 , VT 3 , інвертує сигнал,для забезпечення функції повторення є інвертор на елементі D2 .






Рис. 1.33. Електронний ключ
  Організація комірки пам'яті у такий спосіб дає можливість об'єднати її вхід і вихід на одній лінії даних Di . Для керування записом і читанням інформації є керуючі сигнали WR й RD . Сигнал WR подається на синхровхід тригера, а сигнал RD - на вхід керування електронним ключем OE . Тимчасові діаграми запису й читання наведені на рис. 1.34.
Рис. 1.34. Тимчасові діаграми: а) запис ОЗП; б) читання ОЗП
 
  При  записі  інформації  дані  виставляються  на  лінію Di ,  після  чого формується  строб-імпульс  на  лінії WR .  Установка  або  скидання  тригера відбувається за фронтом строб-імпульсу (tWR ) . Під час читання інформації дані із тригера виставляються на лінію Di в проміжку часу між t1 - t2 та у момент дії сигналу RD .
  Для організації багаторозрядного ОЗП елементарні, однорозрядні комірки пам'яті необхідно об'єднати в реєстрові структури. На рис. 1.35 зображена функціональна схема 8-розрядного ОЗП ємністю 2n . Вибір конкретної лінійки пам'яті проводиться за допомогою дешифратора адреси, на виходи якого подається відповідна адресна комбінація A0...An . Таким чином, кожна комірка пам'яті має адресу, за якою зберігається вміст (інформація).
  В ОЗП є три керуючих входи. Для запису або читання - входи WR , RD , для дозволу роботи дешифратора - CS . Декодування адреси й установка 1 на одному з виходів дешифратора відбувається тільки під час подачі сигналу нульового рівня на вхід CS . Високий рівень на одному з виходів дешифратора дозволяє проходження сигналу WR або RD до відповідної лінійки комірок в ОЗП. За сигналом WR  проводиться паралельний запис у пам’ять інформації із шини даних D0...D7 , а за сигналом  RD - читання або видача на шину даних інформації з пам'яті.




 
Рис. 1.35. Організація багаторозрядного ОЗП
  Умовне зображення ОЗУ й тимчасові діаграми його роботи зображені на рис. 1.36. З діаграм можна побачити, що в першу чергу повинна виставлятися адреса комірки пам'яті, потім сигнал CS і далі під час читання сигнал RD , а при записі - спочатку дані й тільки після цього сигнал WR .
  Постійні запам'ятовувальні пристрої
  Постійні запам'ятовувальні пристрої (ПЗП) різняться за принципом запису й стирання інформації. Сам процес занесення або запису інформації в ПЗП називається «програмуванням». На сьогоднішній момент існує п'ять видів ПЗП.
  ROM (Read Only Memory) - ПЗП програмуються одного разу на стадії виготовлення. Цей вид застосовують при великому тиражі виробів, коли є завдання зниження їх вартості.
Рис. 1.36. Багаторозрядне ОЗП: а) умовна позначка; б), в) тимчасові діаграми читання й запису
  PROM (Programmable Read Only Memory) - однократно програмувальні ПЗП. Запис інформації в них здійснюється за допомогою спеціального пристрою, який називається програматором.
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) - багаторазово перепрограмувальні ПЗП. Запис інформації здійснюється за допомогою програматора, стирання - шляхом ультрафіолетового опромінення мікросхеми через спеціальне вікно в корпусі.
  EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) - електрично програмувальні та такі ПЗП, що стираються. Запис і стирання інформації здійснюється за допомогою програматора.
  Flash Memory - електрично програмувальні та такі ПЗП, що стираються. Інформація може записуватися й стиратися за допомогою електричних сигналів без застосування спеціальних програматорів. Використовується найчастіше для енергонезалежного зберігання даних.
  У сучасних мікроконтролерах для зберігання програм широко використовуються ПЗП типу EEPROM із багаторозрядною організацією доступу до даних. У якості елементарної комірки пам'яті використовується тригер, що виконано на базі польового транзистора з утримуючою ємністю. Функціональна схема такої комірки зображена на рис. 1.37. При вирядженій ємності C1 транзистор VT1
замкнено і на його виході втримується високий рівень сигналу (логічна 1). Заряд ємності проводиться при програмуванні ПЗП й у тих бітах, які повинні зберігати стан нуля. Для керування зарядом і розрядом ємності C1 використовуються електронні ключі ЕК1 і ЕК3.

Рис. 1.37. Елементарна комірка ОЗП


  При стиранні ПЗП керуючий сигнал подається на ключ ЕК1 і ємність розряджається через діод VD1. Після стирання всі комірки пам'яті встановлюються в одиничний стан. Керування записом інформації виконується за допомогою ключа ЕК3. Під час його відмикання на ємність C1 надходить сигнал  з  лінії  даних ( Di). Його  високий  рівень  виробляє  заряд  ємності. Зчитування інформації із VT1 проводиться через ключ ЕК2, для чого повинен бути сформований керуючий сигнал на лінії  RD . Оскільки електронні ключі забезпечують лінії із трьома станами, то вхід і вихід комірки пам'яті об'єднано.
  Спосіб організації ПЗП є аналогічним організації багаторозрядного ОЗП. При звичайній роботі із ПЗП проводиться тільки зчитування інформації, тому на схемах умовних позначок лінії запису й стирання часто не зображуються. На рис. 1.38 наведено умовну позначку й тимчасову діаграму роботи ПЗП.
  У ПЗП є два керуючих входи  RD  й CS , а також адресні входи A0...An. Кількість адресних входів визначає ємність пам'яті. Так, при  n  рівному 14 ємність ПЗП становить 32К. З тимчасових діаграм можна побачити послідовність формування вхідних сигналів. Спочатку встановлюється адреса, потім формується сигнал CS і далі сигнал RD . Читання інформації повинно відбутися в проміжку між t1...t2 .


Рис. 1.38. ПЗП: а) умовна позначка; б) тимчасові діаграми