ПЗУ – память, информация в которой, будучи однажды записанной, изменению не подлежит. Например, программа загрузки в ОЗУ микропроцессорной системы информации из внешней памяти. Все типы ПЗУ используют один и тот же принцип построения схемы. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединения между шинами адреса и данных.

Условное графическое обозначение ПЗУ представлено на рис.26.10.

Рис.26.10. Условное графическое обозначение ПЗУ

Рис. 26.11. Схема ПЗУ

На рис. 26.11 приведена схема простейшего ПЗУ. Для реализации ПЗУ достаточно использовать дешифратор, диоды, набор резисторов и шинные формирователи. Рассматриваемое ПЗУ содержит разрядных слова, т.е. его общий объем составляет 32 бит. Количество столбцов определяет разрядность слова, а количество строк – количество 8 разрядных слов. Диоды устанавливаются в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического «0» (дешифратор подает 0 на выбранную строку). В настоящее время вместо диодов ставят МОП-транзисторы.

В табл. 26.1 приведено состояние ПЗУ, схема которого приведена на рис. 26.11.

Таблица 26.1

Состояние простого ПЗУ

Как правило, ПЗУ имеют многоразрядную организацию со структурой 2DM . Технологии изготовления самые разнообразные – КМОП, n-МОП, ТТЛ(Ш) и диодные матрицы.

Все ПЗУ можно разделить на следующие группы: программируемые при изготовлении (масочные), с однократным программированием и перепрограммируемые.

В запоминающих устройствах, программируемых при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывается непосредственно в процессе их изготовления с помощью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса. Такие ПЗУ называемые масочными, построены на диодах, биполярных или МОП транзисторах.

Область использования масочных ПЗУ – хранение стандартной информации, например знакогенераторы (коды букв латинского и русского алфавита), таблицы типовых функций (синусы, квадратичные функции), стандартное программное обеспечение.

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM ) – ПЗУ с возможностью однократного электрического программирования. Этот вид памяти позволяет пользователю однократно запрограммировать микросхему памяти с помощью программаторов.

Микросхемы ППЗУ построены на запоминающих ячейках с плавкими перемычками. Процесс программирование заключается в избирательном пережигании плавких перемычек с помощью импульсов тока достаточной амплитуды и длительности. Плавкие перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов.

На рис. 26.12 приведена схема ППЗУ с плавкими перемычками. Оно изготавливается со всеми диодами и перемычками, т.е. в матрице все «0», а при программировании пережигаются те перемычки, в ячейках которых должны быть логические «1».

Рис. 26.12. Фрагмент схемы ППЗУ

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ и РПЗУ УФ) – ПЗУ с возможностью многократного электрического программирования. В ИС РПЗУ УФ (EPROM ) старая информация стирается с помощью ультрафиолетовых лучей, для чего в корпусе микросхемы имеется прозрачное окошко; в РПЗУ (EEPROM ) – с помощью электрических сигналов.

Запоминающие ячейки РПЗУ строятся на n -МОП или КМОП транзисторах. Для построения ЗЭ используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.

В первом варианте диэлектрик под затвором МОП транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния. Этот транзистор называется МНОП: металл – нитрид кремния – окисел – полупроводник. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата зарядов. Благодаря туннельному эффекту носители заряда могут проходить сквозь тонкую пленку окисла и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд, являющийся носителем информации, хранимой МНОП-транзистором, приводит к изменению порогового напряжения транзистора. При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочее напряжение на затворе транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует, легко открывается. Одно из состояний определено как логическая единица, второе – ноль.

Во втором варианте затвор МОП транзистора делают плавающим, т.е. не связанным с другими элементами схемы. Такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения. В результате заряд на плавающем затворе влияет на ток стока, что используется при считывании информации, как и в предыдущем варианте с МНОП транзистором. Такие транзисторы получили название ЛИЗМОП (МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда). Так как затвор транзистора окружен изолятором, ток утечки очень мал и информация может храниться достаточно долго (десятки лет).

В РПЗУ с электрическим стиранием над плавающим затвором транзистора размещают второй – управляющий затвор. Подача напряжения на него вызывает рассасывание заряда на плавающем затворе за счет туннельного эффекта. РПЗУ имеют весомые преимущества перед РПЗУ УФ, так как не требуют для перепрограммирования специальных источников ультрафиолетового света. ЗУ с электрическим стиранием практически вытеснили ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

Фрагмент схемы РПЗУ с использованием двухзатворных транзисторов типа ЛИЗМОП показан на рис. 26.13. Запись логического нуля осуществляется в режиме программирования с помощью заряда плавающего затвора. Стирание информации, т.е. разряд плавающего затвора, означает запись логической единицы. В этом случае при подаче сигнала по линии выборки опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение U ПИТ на линии считывания.

Современные РПЗУ имеют информационную емкость до 4 Мбит при тактовой частоте до 80 МГц.

26.5. Flash -память

Основные принципы работы и тип запоминающих элементов Flash -памяти аналогичны ППЗУ с электрической записью и стиранием информации, построенной на транзисторах с плавающим затвором. Как правило, благодаря своим особенностям, Flash -память выделяют в отдельный класс. В ней производится стирание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдельных слов. Это позволяет исключить схемы управления записью и стиранием отдельных байтов, что дает возможность значительно упростить схему ЗУ и достичь высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости.

Рис.26.13. Фрагмент схемы РПЗУ

Современные тенденции развития электронных приборов требуют постоянного увеличения объема используемой памяти. На сегодня инженеру доступны микросхемы как энергозависимой памяти типа DRAM , которую характеризуют предельно низкая цена за бит и большие уровни интеграции, так и энергонезависимой Flash -памяти, себестоимость которой постоянно снижается и стремится к уровню DRAM .

Потребность в энергонезависимой Flash -памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе Flash -памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в Flash -памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, Flash -память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И-НЕ). Структура NOR (рис. 26.14, а) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис. 26.14, б) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.

Рис.26.14. Структуры на основе NOR (a) и NAND (б)

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR . Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-Flash лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-Flash ниже, чем в других технологиях Flash -памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Более детально особенности микросхем Flash -памяти можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY 27xx(08/16)1G 1M фирмы Hynix . На рис. 26.15 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов.

Микросхема имеет следующие выводы:

I/O 8-15 – вход/выход данных для х16 устройств

I/O 0-7 – вход/выход данных, адресный вход или вход команд для х8 и х16 устройств;

ALE – включение адресной защелки;

CLE – включение защелки команд;

– выбор кристалла;

– разрешение чтения;

– чтение/занят (выход с открытым стоком);

– разрешение записи;

– защита от записи

V CC – напряжение питания;

V SS – общий вывод.

Рис.26.15. Схема внешних выводов (а), назначение выводов (б) и структурная схема (в) Flash -памяти

Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read ). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.26.16. Организация массива памяти NАND -структуры

Массив памяти NAND -структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис. 26.16).

Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC ), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block ) основной области. В 8-битных устройствах страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В 16-ти битных устройствах страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Память на основе ячеек NOR имеет сравнительно большие времена стирания и записи, но обладает доступом к каждому биту на чтение. Данное обстоятельство позволяет применять такие микросхемы для записи и хранения программного кода, который не требует частого перезаписывания. Такими применениями могут быть, например, BIOS для встраиваемых компьютеров или ПО для телевизионных приставок.

Свойства NAND-Flash определили область ее применения: карты памяти и иные устройства хранения данных. Сейчас данный тип памяти применяется почти повсеместно в мобильных устройствах, фото- и видеокамерах и т.д. NAND-Flash лежит в основе практически всех типов карт памяти: SmartMedia , MMC , SecureDigital, MemoryStick

Достигнутая в настоящее время информационная емкость Flash -памяти достигает 8ГБит, типовая совокупная скорость программирования и стирания составляет до 33.6 мС / 64 кБ при тактовой частоте до 70 МГц.

Двумя основными направлениями эффективного использования Flash -памяти являются хранение редко изменяемых данных и замена памяти на магнитных дисках. Для первого направления используется Flash -память с адресным доступом, а для второго – файловая память.

26.6. ОЗУ типа FRAM

FRAM – оперативное энергонезависимое ЗУ, сочетающее высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, присущие ОЗУ, со свойством хранения данных при отсутствии приложенного напряжения.

В сравнении с EEPROM и Flash -памятью время записи данных в ЗУ этого типа и потребляемая мощность намного меньше (менее 70 нс против нескольких миллисекунд), а ресурс по циклам записи намного выше (не менее 10 11 против 10 5 …10 6 циклов для EEPROM ).

FRAM должна стать в ближайшем будущем самой популярной памятью в цифровых устройствах. FRAM будет отличаться не только быстродействием на уровне DRAM , но и возможностью сохранять данные при отключении энергии. Словом, FRAM может вытеснить не только медленную Flash , но и обычную ОЗУ типа DRAM . Сегодня ферроэлектрическая память находит ограниченное применение, к примеру, в RFID -тэгах. Ведущие компании, в числе которых Ramtron, Samsung, NEC, Toshiba , активно развивают FRAM . Примерно к 2015 году на рынок должны поступить n -гигабайтные модули FRAM .

Указанные свойства FRAM обеспечивает сегнетоэлектрик (перовскит), используемый в качестве диэлектрика накопительного конденсатора ячейки памяти. При этом сегнетоэлектрическое ЗУ хранит данные не только в виде заряда конденсатора (как в традиционных ОЗУ), но и виде электрической поляризации кристаллической структуры сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрический кристалл имеет два состояния, которые могут соответствовать логическим 0 и 1.

Термин FRAM еще не устоялся. Первые FRAM получили название – ферродинамические ОЗУ. Однако в настоящее время в качестве запоминающих ячеек используется сегнетоэлектрик и сейчас FRAM часто называют сегнетоэлектрическим ОЗУ.

Первые FRAM имели 2Т /2С -архитектуру (рис.26.17, а), на основе которой выполняется и большинство современных микросхем сегнетоэлектрической памяти. Ячейка такого типа, в которой каждому биту соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определить разницу зарядов с высокой точностью. А благодаря считыванию дифференциального сигнала исключается влияние разброса параметров конденсаторов ячеек. Позже появились FRAM с архитектурой 1Т /1С (рис.26.17, б). Достоинство микросхем с такой архитектурой – меньшая, чем в обычных схемах площадь ячейки и, следовательно, меньшая стоимость микросхемы в пересчете на единицу информационной емкости.

На рис.26.18 приведена структурная схема сегнетоэлектрического ОЗУ (FRAM ) объемом 1 Мбит и параллельным интерфейсом доступа FM 20L 08 фирмы Ramtron . В таблице 26.1. показаны выводы микросхемы.

FM 20L 08 – энергонезависимая память с организацией 128К×8, которая считывается и записывается подобно стандартному статическому ОЗУ. Сохранность данных обеспечивается в течение 10 лет, при этом, нет необходимости задумываться о надежности хранения данных (неограниченная износостойкость), упрощается проектирование системы и исключается ряд недостатков альтернативного решения энергонезависимой памяти на основе статического ОЗУ с резервным батарейным питанием. Быстрота записи и неограниченное количество циклов перезаписи делают FRAM лидером по отношению к другим типам энергонезависимой памяти.

Рис.26.17. Ячейка памяти типа 2Т /2С (а) и 1Т /1С (б)

Рис.26.18. Структурная схема FRAM FM 20L 08

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM), которое еще называют встроенной программой, представляет собой интегральную микросхему, при изготовлении запрограммированную определенными данными. ПЗУ используются не только в компьютерах, но и в большинстве других электронных устройств.

Прежде чем говорить о конкретных типах современных микросхем памяти, надо немного вспомнить прошлое и разобраться в основных принципах работы электронной памяти и особенностях ее адресации.

Компьютеры, в отличие от людей, которые пользуются десятичной системой счисления, используют двоичную арифметику, т. е. в любом разряде машинного числа может находиться либо "0" -- нет, либо "1" -- да. Соответственно, и каждая ячейка электронной памяти компьютера должна запоминать одно из двух значений -- 0 или 1. Самое простое запоминающее устройство -- это набор тумблеров или реле, которые замыкают или размыкают электрическую цепь. Если вспомнить, то старинные вычислительные машины как раз использовали для оперативной памяти реле, а в качестве ПЗУ применялись обычные тумблеры (и это не удивительно, т. к. даже мини-ЭВМ 80-х годов прошлого века имели панель с набором тумблеров для ввода команд).

Развитие полупроводниковых технологий привело к тому, что для электронной памяти персонального компьютера в большинстве случаев используются кремниевые интегральные микросхемы. А минимальная ячейка памяти в микросхеме -- это триггер, который в самом простейшем случае собирается на двух транзисторах. Но поскольку для управления триггером требуются цепи управления, то элементарная запоминающая ячейка современной статической памяти, которая применяется, в частности, для кэш-памяти, содержит иногда до десятка транзисторов. Для примера на рис. 12 показана схема ячейки памяти КМОП-микросхемы. В ней из шести КМОП-транзисторов только транзисторы V3 и V5 отвечают за хранение информации, а остальные используются по другому назначению.

Так как в современном компьютере применяются микросхемы, содержащие сотни тысяч ячеек, то для упрощения управления запоминающие ячейки группируются в квадратные матрицы. Для обращения к конкретной ячейке памяти используется адрес, формируемый из номера строки и столбца (рис. 13). Как только на шинах столбцов и строк будет установлен правильный адрес нужной ячейки, на выходе матрицы появится напряжение, соответствующее информации, записанной в ячейку памяти. Заметим, что такой принцип адресации используется и для чтения или записи байта в оперативной памяти, но при этом за каждый разряд байта или слова отвечает своя запоминающая матрица, которая, чаще всего, находится в отдельной микросхеме.

Для записи информации в конкретную ячейку микросхемы предназначен всего один вывод. Когда на шине адреса установится нужный адрес ячейки памяти, то, хотя сигнал записи будет подан на все ячейки, запись произойдет только в ту ячейку, которая будет в данный момент выбрана (адресована).

Рисунок 12. Схема ячейки памяти КМОП-микросхемы

Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице хорошо иллюстрируется на примере ферритовой памяти (рис. 14). На заре компьютерной эры она представляла собой небольшие ферритовые колечки, находящиеся в узелках проволочной сетки. Чтобы сформировать сигнал чтения и записи, через все колечки продевался отдельный провод. Заметим, что для записи "1" и "0" использовалось свойство ферромагнетиков перемагничи-ваться под действием электрического тока. Самые маленькие ферритовые колечки были диаметром всего около 1 мм. С появлением полупроводниковых микросхем памяти о ферритовой памяти надолго забыли, но совсем недавно появились микросхемы FeRAM, в которых сочетается кремниевая технология производства микросхем и свойство ферромагнитных материалов изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного магнитного поля.

Процессоры имеют шину данных, кратную 8 разрядам, например, 8, 16, 32 или 64. В старых персональных компьютерах электронная память собиралась из микросхем, имеющих, например 64, 128, 256 и т. д. ячеек. На системных платах персональных компьютеров IBM PC можно было увидеть ряды микросхем памяти, занимающих там слишком много места. Чтобы уменьшить количество микросхем и упростить их электрические соединения друг с другом, на одном кремниевом кристалле стали создавать несколько отдельных матриц запоминающих ячеек. Наиболее популярными оказались варианты, когда микросхема памяти имеет разрядность равную 4 и 8, что позволило уменьшить количество корпусов на плате.

Рисунок 13

В документации и прайс-листах на микросхемы памяти всегда указывается не только общий ее объем, но и как организованы ячейки памяти. Например, ниже приводятся строчки из прайс-листа на микросхемы динамической памяти DDR и SDRAM:

· DDR 256Mb, 32Мх8, 266MHz;

· DDR 128Mb, 1бМх8, 266MHz;

· SDRAM 256Mb, 32Mx8, 133MHz;

· SDRAM 128Mb, 16Mx8, 133MHz.

Рисунок 14. Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице

Заметьте, что в начале идет условное обозначения типа микросхемы, а в конце указывается максимальная тактовая частота шины, на которой они могут работать. Объем памяти в микросхеме указывается в двух вариантах: 256Mb -- общее количество ячеек памяти в микросхеме; 32Мх8 -- это обозначение показывает, что на каждый разряд приходится по 32 Мбайт (также используется термин "глубина адресного пространства", от англ, address depth). Если умножить 32 Мбайт на 8, то получается 256 Мбайт

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа на тему

Разработка микропроцессорной системы с заданными параметрами ОЗУ и ПЗУ

Введение

2. Расширение адресного пространств

Заключение

Список литературы

Введение

Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.

Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:

*наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

*требования оптимизации структуры системы для конкретного применения;

*работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

*наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;

*существенное различие функциональных задач;

*высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;

*сложные условия эксплуатации;

*обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.

Целью данной курсовой работы является разработка микропроцессорной системы с заданными параметрами ОЗУ и ПЗУ, а также расчет и проектирование дополнительного ОЗУ и проверка компонентов системы на электрическое взаимодействие.

1. Деление адресного пространства

Существует микропроцессорная система с модулем процессора, обладающим характеристиками:

· тип системной магистрали - с раздельными шинами;

· размер адресного пространства запоминающих устройств (объем ЗУ) - 64 к;

· разрядность шины данных запоминающих устройств - 16;

организация системы ввода/вывода:

· количество портов ввода/вывода - 2048;

· разрядность шины данных портов ввода/вывода - 16;

сигналы шины управления:

· - запись в запоминающее устройство;

· - чтение из запоминающего устройства;

· - запись во внешнее устройство;

· - чтение из внешнего устройства;

Подсоединим к микропроцессорной системе модуль памяти, содержащий: ПЗУ, ОЗУ1 и ОЗУ2.

Количество слов ПЗУ (ПЗУкс) вычислим по формуле:

ПЗУкс=2 ММ =2 01 =2

Количество слов ОЗУ2 (ОЗУ2кс) вычисляем следующим образом:

1. вычислить возможное количество слов Y по формуле:

Y = (ЗУап - ПЗУкс) / 3=(64*1024-2*16)/3=21 (к)

2. полученное количество слов Y округлить до ОЗУ2кс, удовлетворяющей следующим условиям:

а) ОЗУ2кс? Y;

б) ОЗУ2кс кратен 2 n (n = 0, 1, 2, …).

n=4, 2 n =16 ? 21.

Количество слов Y = 16

Количество слов ОЗУ1 (ОЗУ1кс) вычислить по формуле:

1. вычислить возможный объем Y по формуле:

Y = (ЗУап - ПЗУкс - ОЗУ2кс) / 3=(64*1024-2*16-16*16)/3=21 (к)

2. полученное количество слов Y округлить до ОЗУ1кс, удовлетворяющей следующим условиям:

а) ОЗУ1кс? Y;

б) ОЗУ1кс кратен 2 n (n = 0, 1, 2, …)

n=4, 2 n =16 ? 21.

Микросхема ПЗУ содержит: 1 адресный вход по количеству слов, подаваемых на вход, 8 выходов данных для подключения ОЗУ, входы для управляющих сигналов - выбор кристалла и EO - состояние выхода.

Микросхемы ОЗУ1 и ОЗУ2 содержат: по 4 адресных входа, совмещенные входы/выходы данных, входы для управляющих сигналов CS - выбор кристалла, /R-запись/чтение.

Спроектируем элемент микросхемы ПЗУ с помощью инструментария приложения MS Visio 2010 как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Проект микросхемы ПЗУ

Подберем подходящий аналог, воспользовавшись . Предварительно отобразим в таблице назначение выводов микросхем, как показано в Табл. 1.

Таблица 1. Обозначение выводов микросхем памяти

Микросхемы ПЗУ по способу занесения в них информации делятся на три группы: масочные ПЗУ, однократно программируемые по способу шаблона (маски), однократно программируемые по способу прожигания перемычек на кристалле ППЗУ, многократно программируемые пользователем РПЗУ.

При проектировании микросхем, если объем RAM невелик (до 1024 бит), то память набирают из отдельных триггеров. В ином случае пользуются библиотеками готовых модулей памяти. При разработке проекта для ПЛИС готовые модули памяти имеют объем 16, 32, 2048, 4096 бит. В последних сериях ПЛИС объем модуля RAM возрос до 16К или 18К бит. Разрядность модуля RAM может задаваться из ряда: 1,2,4,8 и 16 бит. Запись данных и адреса в модуль RAM всегда выполняется по фронту синхросерии или сигнала записи, т.е. вход модуля можно рассматривать как вход синхронного регистра. Чтение данного чаще всего выполняется в следующем такте после такта приема адреса. Иногда на выходе модуля RAM стоит синхронный регистр, запоминающий прочитанное слово. Запись и чтение из модуля может выполняться по конвейерному принципу: в одном такте записывается адрес нового данного и выдается прочитанное данное по предыдущему адресу. Для формирования RAM большого объема собирают систему из нескольких готовых модулей, дешифратора адреса для селекции модуля и выходного мультиплексора. Различные варианты RAM в лабораторной работе имеют три, две или одну шину. В первом случае шины входного, выходного данного и адреса - раздельны, во втором случае шина входного и выходного данного совмещены и в третьем случае и адрес, и данные передаются по одной шине мультиплексированно.

В соответствии с заданием выберем масочную ПЗУ, структурная схема, которой показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема масочной ПЗУ

Программирование микросхем ПЗУМ осуществляется однократно. Микросхема обладает свойством энергозависимости. Микросхемы ПЗУМ работают в режимах: считывания и хранения. Для считывания информации необходимо подать код адреса и разрешающие сигналы управления.

Подобранный тип микросхемы и соответствующие характеристики изображены на рисунке 3.

Рисунок 3. Вид микросхемы

Выбираем микросхему KP1610PE1. Характеристики микросхемы показаны в таблице 2.

Таблица 2

Спроектируем элемент микросхемы ОЗУ с помощью инструментария приложения MS Visio 2010 как показано на рисунке 4.

микросхема запоминающий электрический

Рисунок 4. Проект микросхемы ОЗУ

2. Расширение адресного пространства

К микропроцессорной системе, спроектированной в прошлом разделе, подсоединяем дополнительный модуль оперативного запоминающего устройства (ОЗУд), содержащее N слов. Для определения количества слов памяти необходимо:

1. определить размер свободного, наибольшего, участка адресного

пространства запоминающих устройств, Y;

Y=(ЗУап - ПЗУкс - ОЗУ2кс- ОЗУ1кс) / 3=(64*1024-2*16-16*16-16*16)/3=21 (к)

2. размер Y округлить до N слов удовлетворяющих следующим условиям:

б) N кратен 2 n (n=0,1,2,…).

ОЗУд содержит: 7 адресных входов, совмещенные входы/выходы данных, входы для управляющих сигналов - выбор кристалла, -запись, -чтение.

3. Электрическое взаимодействие микропроцессорных компонентов

Произведем проверку электрического сопряжения элементов микропроцессорной системы, используя принципиальную электрическую схему микропроцессорной системы, реализованную на базе реальных элементов.

В расчетах используем характеристики приведенные ниже.

1. Модуль процессора:

I0вх, мА? - 2

I1вх, мА? 0,05

Uпит, В = 5 ± 5%.

U1вых, В? 2,7

U0вых, В? 0,5

I0вых, мА? 100

I1вых мА? -5

Cвых, пФ? 10

Устройство ввода, устройство ввода/вывод:

I0вх, мА? -1,6

I1вх, мА? 0,04

Uпит, В = 5 ± 5%.

U1вых, В? 2,7

U0вых, В? 0,5

I0вых, мА? 48

I1вых мА? -2,4

Cвых, пФ? 10

Остальные микросхемы в соответствии с паспортными данными.

Заключение

В настоящее время доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения, основой которых являются такие элементы электроники как полупроводниковые приборы. Создание разнообразных и замечательных по своим свойствам полупроводниковых приборов обусловили современные успехи электроники.

Чтобы изучить современную электронику, надо, прежде всего, познать принципы устройства и физические основы работы этих приборов, их характеристики, параметры и важнейшие свойства, определяющие возможности их применения. При этом очень важным являются оперативность и точность получения информации, чему должно способствовать использование различных технических средств.

В данной курсовой работе были разработаны принципиальные электрические схемы и подобраны компоненты микросхем в соответствии с заданным вариантом, а также исследованы возможности их замены и расширения.

Список литературы

1. Лучший поисковик электронных компонентов

2. ***RUSSIAN ELECTRONIC***

3. РадиоФанат

4. Телемастер

5. Промэлектроника

6. РЫНОК МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ (справочник)

7. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СО ВСЕГО МИРА

8. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

9. РадиоЛоцман -- Схемы

10. Митинский радиорынок

11. Конференция «Микроконтроллеры и их применение»

12. ООО "Микро-Чип"

13. Виртуальный магазин DESSY

14. Русскоязычная страница ATMEL

15. Schemes Site (принцип.схемы)

16. СПРАВОЧНИК ПО РАДИОДЕТАЛЯМ

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Применение цифровых микросхем для вычисления, управления и обработки информации. Назначение микропроцессора и устройств микропроцессорной системы, их структурная и принципиальная схемы. Системная шина процессора и распределение адресного пространства.

курсовая работа , добавлен 29.02.2012


Расчет статического модуля оперативной памяти и накопителя. Построение принципиальной схемы и временной диаграммы модуля оперативного запоминающего устройства. Проектирование арифметико-логического устройства для деления чисел с фиксированной точкой.

курсовая работа , добавлен 13.06.2015


Иерархия запоминающих устройств ЭВМ. Микросхемы и системы памяти. Оперативные запоминающие устройства. Принцип работы запоминающего устройства. Предельно допустимые режимы эксплуатации. Увеличение объема памяти, разрядности и числа хранимых слов.

курсовая работа , добавлен 14.12.2012


Разработка структуры корпоративной информационной системы. Проектирование адресного пространства. Обоснование выбора аппаратной конфигурации клиентских станций и серверного оборудования. Расчет стоимости оборудования и программного обеспечения системы.

курсовая работа , добавлен 15.02.2016


Рассмотрение структурной схемы микропроцессорной системы обработки данных. Описание архитектуры микроконтроллера ATmega161. Расчет оперативного запоминающего устройства. Строение, назначение адаптера параллельного интерфейса, способы его программирования.

курсовая работа , добавлен 24.09.2010


Назначение и устройство микропроцессорной системы контроля. Описание функциональной схемы микропроцессорной системы контроля. Расчет статической характеристики канала измерения. Разработка алгоритма функционирования микропроцессорной системы контроля.

курсовая работа , добавлен 30.08.2010


Разработка структурной схемы и обобщенного алгоритма работы прибора. Оценка максимальной погрешности линейного датчика давления и нормирующего усилителя. Разработка элементов принципиальной электрической схемы микропроцессорной системы сбора данных.

курсовая работа , добавлен 08.02.2015


Анализ вариантов проектных решений и выбор на его основе оптимального решения. Синтез функциональной схемы микропроцессорной системы на основе анализа исходных данных. Процесс разработки аппаратного и программного обеспечения микропроцессорной системы.

курсовая работа , добавлен 20.05.2014


Структура аппаратуры передачи информации. Разработка передающей и приемной части в соответствии с заданными параметрами. Разработка функциональной схемы устройства преобразования сигналов и устройства защиты от ошибок, алгоритм его функционирования.

курсовая работа , добавлен 12.03.2009


Структура корпоративной информационной системы организации. Разработка адресного пространства и системы DNS. Структура домена КИС. Выбор аппаратной и программной конфигурации рабочих станций и серверного оборудования. Конфигурирование типовых сервисов.

ется процессоров RISC, то они близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте.

Также с упрощением ЦП уменьшается число транзисторов, необходимых для его реализации, следовательно, уменьшается площадь кристалла. А с этим связано снижение стоимости и потребляемой мощности.

Следует также иметь в виду, что благодаря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству. Между тем, в сокращенный набор RISC вошли только наиболее часто используемые команды. Ряд редко встречающихся команд процессора CISC выполняется последовательностями команд процессора RISC.

Позже появилась концепция процессоров MISC, использующая минимальный набор длинных команд. Вслед за ними возникли процессоры VLIW, работающие со сверхдлинными командами. Быстродействие процессоров определяется в миллионах операций в секунду MIPS .

Память в микропроцессорных устройствах

В микропроцессорных устройствах память служит для хранения исходных данных программ обработки информации промежуточных и окончательных результатов вычисления.

Выделяют два основных типа памяти:

∙ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных, поэтому эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется;

В современных микропроцессорах память ОЗУ представляет собой многоуровневую систему, в которой выделяют уровни сверхоперативной памяти (СОЗУ), ОЗУ, буферной памяти (БЗУ) и внешней памяти (ВЗУ).

Каждый последующий уровень отличается от предыдущего емкостью и быстродействием.

Емкостью называется максимальное количество информации, которая может быть записана в память.

Быстродействие характеризуется длительностью операций чтения и записи - двух основных операций, выполняемых памятью.

Для указанных уровней памяти емкость растет в направлении от СОЗУ к ВЗУ, а быстродействие в противоположном направлении.

∙ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения программ, поэтому часто эту память называют кодовой или памятью программ. Микросхемы ПЗУ способны сохранять информацию при отключенном электропитании, но могут быть запрограммированы только один или очень ограниченное число раз.

Основные характеристики полупроводниковой памяти

Основные характеристики памяти, которые необходимо учитывать при проектировании систем:

∙Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M - число слов, N - разрядность слова. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

∙Временные характеристики памяти.

1.1 Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

o Время восстановления - это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША адрес, с ШУ сигнал «чтение» или «запись» и с ШД данные.

∙Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

∙Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием.

∙Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической памяти.

∙Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие

Типы микросхем постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)

Существуют следующие основные типы ПЗУ:

∙масочные ПЗУ - они программируются в процессе их изготовления путем нанесения маски из замкнутых (высокий уровень) и разомкнутых перемычек (низкий уровень), этот тип ПЗУ наиболее дешев, но при изготовлении крупной партией;

∙ПЗУ с плавкими перемычками или электрически программируемые (ЭПЗУ ) - эти микросхемы программируются потребителем путем пропускания импульсов тока до разрушения перемычек, соответствующих битам, которые должны стать нулевыми;

∙перепрограммируемые ПЗУ с электрической записью информации и стиранием ультрафиолетовым излучением (УФППЗУ ) - основа ячейки памяти микросхемы данного типа - МОП-транзистор с полностью изолированным «плавающим» затвором, при программировании окисел пробивается и на затворе накапливается заряд, который сохраняется там пока микросхема не будет подвергнута УФ-облучению, под его действием окисел становится проводящим; сопротивление канала транзистора зависит от заряда на затворе и будет определять бит, записанный в ячейку;

∙электрически стираемые ПЗУ(ЕЕPRОМ ) устроены аналогично УФППЗУ, но стирание происходит, как и запись, при подаче импульсов напряжения; это самый дорогой, но и самый удобный тип ПЗУ.

∙FLASH-память - наиболее популярная в настоящее время. Ее главное достоинство в том, что она построена по принципу электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации с помощью программаторов. Минимальное гарантированное число циклов записи/стирания обычно превышает несколько тысяч. Это существенно увеличивает жизненный цикл и повышает гибкость микропроцессорных систем, так как позволяет вносить изменения в программу микропроцессора, как на этапе разработки системы, так и в процессе его работы в реальном устройстве.

Типы микросхем ОЗУ

Существует два типа микросхем ОЗУ:

∙статические ОЗУ, в которых основой запоминающей ячейки служит триггер;

61 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

5.2. Постоянные запоминающие устройства

5.2.1. Принципы построения схем ПЗУ

Постоянные запоминающие устройства представляют собой память с произвольным обращением, допускающую лишь считывание данных. Типовая структура ПЗУ показана на рис.5.12а. Схема ПЗУ имеет много общего со схемой ОЗУ (рис.5.5).

Рис. 5.12. ПЗУ с организацией 16 слов х 1 разряд:

а – схема, б – УГО

В узлах матрицы, образованной системой горизонтальных и вертикальных шин, включены элементы памяти - транзисторы. В качестве элементов памяти в накопителях ПЗУ могут использоваться как биполярные, так и МОП-транзисторы. Базы (затворы) транзисторов подключены к горизонтальным (адресным) шинам, эмиттеры (истоки) через перемычку соединены с вертикальными (разрядными) шинами.

Наличие перемычки означает хранение в элементе памяти 1. Если перемычка (или транзистор) отсутствуют, это означает, что в элементе хранится 0.

К адресным шинам подключены выходы дешифратора, на входы которого поступает часть разрядов адресного кода. Разрядные шины соединены с входами мультиплексора, на адресные входы которого подается вторая часть адресного кода ПЗУ. Мультиплексор имеет выход с

тремя состояниями (если G 1 = G 2 = 0 , то на выход Q проходит один из информационных сигналов, если один из сигналов не равен 0, то выход Q в третьем состоянии).

При поступлении адресного кода на одной из адресных шин Y i

установится высокий уровень напряжения, открывающий транзисторы - элементы накопителя одной строки. Транзисторы через перемычки передают высокий уровень на соответствующие разрядные шины. Если на пересечении некоторых вертикальных шин с выбранной строкой перемычки отсутствуют, то на этих шинах останется низкий уровень. Сигналы разрядных шин поступают на входы мультиплексора, который передает один из сигналов на выход Q . Какая из разрядных шин подключается к выходу, зависит от части адресного кода ПЗУ, поступающего на входы адреса мультиплексора. Таким образом, выходной сигнал ПЗУ определяется данными, хранимыми на одном из элементов накопителя.

Микросхемы ПЗУ имеют (как и ИС ОЗУ) вход выбора CS . Некоторые ИС ПЗУ имеют также вход для подачи сигнала разрешения по

входу CEO (при сигнале CEO = 1 выход переводится в третье состояние,

при CEO = 0 режим работы ПЗУ определяется сигналами на остальных входах). Условное обозначение схемы ПЗУ показано на рис. 5.12б (ROM - Read Only Memory).

Строение элемента памяти ПЗУ намного проще, чем ОЗУ. Поэтому на той же площади накопителя можно построить ЗУ с большей информационной емкостью. Записанная в ПЗУ информация сохраняется при отключении питания, что делает удобным хранение в ПЗУ стандартных программ вычислительных машин и т.п. ПЗУ можно использовать в качестве универсальной комбинационной схемы. Входные переменные схемы поступают на адресные входы ПЗУ. Значение выходной переменной, отвечающее каждой комбинации входных, должно быть записано в элементе ПЗУ с соответствующим адресом. Если таблица состояний содержит m входных переменных, то по каждому адресу записывается m -разрядное слово данных. Промышленностью

63 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

выпускаются ИС ПЗУ для использования в качестве преобразования кодов, контроллеров, знакогенераторов, формирователей сигналов и т.п.

Запись данных в ПЗУ может осуществляться в процессе изготовления микросхемы. При этом с помощью специальной металлической маски в схеме накопителя формируется требуемый вариант соединения элементов памяти с разрядными шинами. Такие микросхемы памяти называют масочно-программируемыми, или масочными ПЗУ.

Примеры ИС:

К155ПР6 и К155ПР7 - преобразователи двоично-десятичного кода в двоичный и двоичного в двоично-десятичный, построены с использованием масочного ПЗУ емкостью 256 бит на основе ТТЛэлементов.

КР1610РЕ1 - масочное ПЗУ на n-МОП структурах емкостью 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выбора - 340 нс, время выборки сигнала разрешения по выходу - 80 нс.

5.2.2. Программируемые ПЗУ

Программируемыми называют постоянные запоминающие устройства, которые допускают запись информации после изготовления микросхемы. Принцип записи данных в такие программируемые ПЗУ (ППЗУ) можно пояснить следующим образом. В исходном состоянии во всех элементах накопителя ПЗУ (рис. 5.12) установлены перемычки (например, нихромовые), что соответствует записи 1 по всем адресам. Устанавливая адрес элемента, в котором надо записать 0, и подавая в определенной последовательности повышенные импульсные напряжения на вывод питания и выход данных (часто имеется и специальный вывод для подачи напряжения программирования), можно расплавить перемычку этого элемента. Как было показано выше, отсутствие перемычки в некотором элементе и означает, что в нем записан 0. Для записи данных в ПЗУ используют специальные устройства, называемые программаторами.

Примеры ИС:

КР556РТ5 - программируемое ПЗУ на основе ТТЛ-элементов с диодами Шоттки емкостью 4096 бит (512 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 80 нс.

ППЗУ с плавкими перемычками, пережигаемые мощными импульсами тока, могут программироваться только один раз. Устройства, допускающие многократную запись данных, называются репрограммируемыми ПЗУ (РПЗУ). Элементом памяти РПЗУ является лавинно-инжекционный МОП-транзистор с двумя затворами, один из

которых подключается к горизонтальной адресной шине, а второй изолирован и является плавающим. Пороговое напряжение МОПтранзистора в исходном состоянии близко к нулю. При подаче высокого уровня на затвор, соединенный с адресной шиной, транзистор открывается и на соответствующей вертикальной шине появляется сигнал, соответствующий записанной в элементе 1. При программировании прикладывается большое напряжение между стоком и истоком. Это вызывает инжекцию электрического заряда в область плавающего затвора, в результате чего пороговое напряжение МОП-транзистора увеличивается. Когда при выборке элемента на затвор через адресную шину поступает высокий уровень напряжения, транзистор остается закрытым и на соответствующей разрядной шине напряжение не увеличивается. Это означает, что в элементе записан «0». Заряд в плавающем затворе сохраняется очень долго (десятки тысяч часов). Записанная в РПЗУ информация может быть стерта, если кристалл накопителя осветить ультрафиолетовым излучением. При этом заряд плавающего затвора исчезает и во всех элементах памяти восстанавливается 1. После стирания РПЗУ может быть снова запрограммировано.

Кроме РПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением, имеются устройства постоянной памяти с электрическим стиранием. В таком РПЗУ элемент памяти представляет собой МОП-структуру с изоляцией нитридом кремния.

Примеры ИС:

К573РР2 - репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием. Информационная емкость 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 350 нс. Время хранения информации - не менее 15 тыс. часов.

К573РФ2 - репрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Информационная емкость - 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 450 нс. Время хранения информации - не менее 25 тыс. часов. Микросхема имеет специальное окно для ультрафиолетового облучения (в режиме хранения оно должно быть закрыто). Условное обозначение РПЗУ приведено на рис. 5.13 (EPROM – Erasable Programmable ROM), UPR – напряжение программирования. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу ЗУ в режиме считывания, показаны на рис. 5.14.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2

65 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Рис. 5.13. Репрограммируемое ПЗУ К573РФ2 емкостью 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов)

Рис. 5.14. Временные диаграммы работы РПЗУ К573РФ2 в режиме считывания