Организация микросхем памяти
Интегральные микросхемы (ИМС) памяти организованы в виде матрицы ячеек, каждая из которых, в зависимости от разрядности ИМС, состоит из одного или более запоминающих элементов (ЗЭ) и имеет свой адрес. Каждый ЗЭ способен хранить один бит информации. Для ЗЭ любой полупроводниковой памяти характерны следующие свойства:
· два стабильных состояния, представляющие двоичные 0 и 1;
· в ЗЭ (хотя бы однажды) может быть произведена запись информации, посредством перевода его в одно из двух возможных состояний;
· для определения текущего состояния ЗЭ его содержимое может быть считано.
При матричной организации ИМС памяти (рис. 68) реализуется координатный принцип адресации ячеек. Адрес ячейки, поступающий по шине адреса ВМ, 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 соединены 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 считанная и записываемая информация.
Совокупность запоминающих элементов и логических схем, связанных с выбором строк и столбцов, называют ядром микросхемы памяти. Помимо ядра в ИМС имеется еще интерфейсная логика, обеспечивающая взаимодействие ядра с внешним миром. В ее задачи, в частности, входят 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 ИМС адреса строки и столбца в большинстве микросхем подаются в микросхему 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 по отношению к ИМС схемой.
Рис. 68. Структура микросхемы памяти.
Для синхронизации процессов фиксации и обработки адресной информации внутри ИМС адрес строки (RA) сопровождается сигналом RAS (Row Address Strobe — строб строки), а адрес столбца (СА) — сигналом CAS (Column Address Strobe — строб столбца). Вторую букву в аббревиатурах RAS и CAS иногда расшифровывают как Access — «доступ», то есть имеется строб доступа к строке и строб доступа к столбцу. Чтобы стробирование было надежным, эти сигналы подаются с задержкой, достаточной для завершения переходных процессов на шине адреса и в адресных цепях микросхемы.
Сигнал выбора микросхемы CS (Crystal Select) разрешает работу ИМС и используется для выбора определенной микросхемы в системах, состоящих из нескольких ИМС. Вход WE (Write Enable — разрешение записи) определяет вид выполняемой операции (считывание или запись).
Записываемая информация, поступающая по шине данных, первоначально заносится во входной регистр данных, а затем — в выбранную ячейку. При выполнении операции чтения информация из ячейки до ее выдачи на шину данных буферизируется в выходном регистре данных. Обычно роль входного и выходного выполняет один и тот же регистр. Усилители считывания/записи (УСЗ) служат для электрического согласования сигналов на линиях данных и внутренних сигналов ИМС. Обычно число УСЗ равно числу запоминающих элементов в строке матрицы, и все они при обращении к памяти подключаются к выбранной горизонтальной линии. Каждая группа УСЗ, образующая ячейку, подключена к одному из столбцов матрицы, то есть выбор нужной ячейки в строке обеспечивается активизацией одной из вертикальных линий. На все время пока ИМС памяти не использует шину данных, информационные выходы микросхемы переводятся в третье (высокоимпедансное) состояние. Управление переключением в третье состояние обеспечивается сигналом ОЕ (Output Enable — разрешение выдачи выходных сигналов). Этот сигнал активизируется при выполнении операции чтения.
Для большинства перечисленных выше управляющих сигналов активным обычно считается их низкий уровень, что и показано на рис. 68.
Управление операциями с основной памятью осуществляется контроллером памяти. Обычно этот контроллер входит в состав центрального процессора либо реализуется в виде внешнего по отношению к памяти устройства. В последних типах ИМС памяти часть функций контроллера возлагается на микросхему памяти. Хотя работа ИМС памяти может быть организована как по синхронной, так и по асинхронной схеме, контроллер памяти — устройство синхронное, то есть срабатывающее исключительно по тактовым импульсам. По этой причине операции с памятью принято описывать с привязкой к тактам. В общем случае на каждую такую операцию 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.
Данный перечень учитывает далеко не все необходимые действия, например регенерацию содержимого памяти в динамических ОЗУ.
Типовую процедуру доступа к памяти рассмотрим на примере чтения из ИМ С с мультиплексированием адресов строк и столбцов. Сначала на входе WE устанавливается уровень, соответствующий операции чтения, а на адресные контакты ИМС подается адрес строки, сопровождаемый сигналом RAS. По заднему фронту этого сигнала адрес запоминается в регистре адреса строки микросхемы, после чего дешифрируется. После стабилизации процессов, вызванных сигналом RAS, выбранная строка подключается к УСЗ. Далее на вход ИМС 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 ИМС, которое принято характеризовать четырьмя параметрами (численные значения приводятся для типовой микросхемы динамической памяти емкостью 4 Мбит):
· tras – минимальное время от перепада сигнала RAS с высокого уровня к низкому до момента появления и стабилизации считанных данных на выходе ИМС. Среди приводившихся в начале главы характеристик быстродействия это соответствует времени доступа ТД
· tRC – минимальное время от начала доступа к одной строке микросхемы памяти до начала доступа к следующей строке. Этот параметр также упоминался в начале главы как длительность цикла памяти Tц;
· tCAS – минимальное время от перепада сигнала CAS с высокого уровня к низкому до момента появления и стабилизации считанных данных на выходе ИМС;
· ТPC — минимальное время от начала доступа к одному столбцу микросхемы памяти до начала доступа к следующему столбцу
Возможности «ускорения» ядра микросхемы ЗУ весьма ограничены и связаны в основном с миниатюризацией запоминающих элементов. Наибольшие успехи достигнуты в интерфейсной части ИМС, касаются они, главным образом, операции чтения, то есть способов доставки содержимого ячейки на шину данных. Наибольшее распространение получили следующие шесть фундаментальных подходов:
· последовательный;
· конвейерный;
· регистровый;
· страничный;
· пакетный;
· удвоенной скорости.