Электроника:Цифровая электроника/Цифровое хранилище (память)/Современная немеханическая память

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Современная немеханическая память[1]

Теперь можно переходить к изучению конкретных типов цифровых запоминающих устройств. Для начала изучим некоторые технологии, не требующие движущихся частей. Это не обязательно новейшие технологии, как можно предположить, хотя в будущем они, скорее всего, заменят технологии с движущимися частями.

Очень простым типом электронной памяти является бистабильный мультивибратор. Способный хранить один бит данных, он переменчив (требует энергии для поддержания своей памяти) и очень быстр. D-защёлка, вероятно, является простейшей реализацией бистабильного мультивибратора для использования памяти, вход D служит для ввода данных («запись»), выход Q служит выходом («чтение»), а вход разрешения является линией управления для чтения/записи:

Рис. 1. Бистабильный мультивибратор как простой пример электронной памяти.
Рис. 1. Бистабильный мультивибратор как простой пример электронной памяти.

Если мы хотим хранить более одного бита (а мы, определённо, этого хотим), придётся иметь много защёлок, организованных в какую-то матрицу, где можно выборочно адресовать, из какого из них (или из какого набора) мы считываем или записываем. Используя пару буферов с тремя состояниями, можно подключить как вход записи данных, так и выход чтения данных к общей линии шины данных, и позволить этим буферам либо подключить выход Q к линии данных (ЧТЕНИЕ), либо подключить вход D к линии данных (ЗАПИСЬ) или оставить оба буфера в состоянии «Высокое-Z», чтобы отключить и D и Q от линии данных (безадресный режим). Одна «ячейка» памяти будет выглядеть так:

Рис. 2. Цепь одной ячейки памяти.
Рис. 2. Цепь одной ячейки памяти.

Когда вход разрешения адресации равен 0, оба буфера с тремя состояниями будут переведены в режим «Высокое-Z», а защёлка будет отключена от линии ввода/вывода данных (шины). Только когда вход разрешения адреса активен (1), защёлка будет подключена к шине данных. Каждая схема-защёлка, конечно же, будет включена с другой входной линией «разрешения адресации» (РА), которая будет поступать от выходного декодера «1-из-n»:

Рис. 3. Схема-защёлка, включенная с другой входной линией «разрешения адресации».
Рис. 3. Схема-защёлка, включенная с другой входной линией «разрешения адресации».

В приведённой выше схеме 16 ячеек памяти индивидуально адресуются с помощью 4-битного двоичного кода, вводимого в декодер. Если ячейка не адресована, она будет отключена от 1-битной шины данных своими внутренними буферами с тремя состояниями: следовательно, данные не могут быть ни записаны в эту ячейку, ни прочитаны из неё через шину. Через шину данных будет доступна только схема ячейки, адресованная входным сигналом 4-битного декодера.

Эта простая схема памяти является энергозависимой и с произвольным доступом. Технически это называется статической оперативной памятью. Общая ёмкость памяти составляет 16 бит. Поскольку здесь содержатся 16 адресов и имеется шина данных шириной 1 бит, это можно обозначить как схему статического ОЗУ 16×1 бит. Как видите, требуется невероятное количество вентилей (и несколько транзисторов на каждый вентиль!), чтобы создать практичную схему статической ОЗУ. Это делает статическое ОЗУ устройством с относительно низкой плотностью, с меньшей ёмкостью, чем большинство других технологий ОЗУ на единицу площади микросхемы ИС. Поскольку каждая схема ячейки потребляет определённое количество энергии, общее потребление энергии для большого массива ячеек может быть довольно высоким. Ранние хранилища статической оперативной памяти в персональных компьютерах потребляли довольно много энергии и также выделяли много тепла. Технология КМОП ИС позволила снизить удельное энергопотребление цепей статической ОЗУ, но низкая плотность хранения по-прежнему остаётся проблемой.

Чтобы решить эту проблему, инженеры обратились к конденсатору вместо бистабильного мультивибратора в качестве средства хранения двоичных данных. Крошечный конденсатор может служить ячейкой памяти с одним МОП-транзистором для подключения к шине данных для зарядки (запись 1), разрядки (запись 0) или чтения. К сожалению, такие крошечные конденсаторы имеют очень маленькую ёмкость, и их заряд имеет тенденцию довольно быстро «утекать» через любые импедансы цепи. Чтобы с этим бороться, инженеры разработали внутренние схемы микросхемы оперативной памяти, которые периодически считывали все ячейки и перезаряжали (или «обновляли») конденсаторы по мере необходимости. Хотя это усложняло схему, для неё по-прежнему требовалось гораздо меньше компонентов, чем для ОЗУ, состоящего из мультивибраторов. Они назвали этот тип схемы память как динамическая оперативная память из-за необходимости её периодического обновления.

Недавние достижения в производстве интегральных схем привели к появлению флэш-памяти, которая работает по принципу ёмкостного хранения, подобно динамическому ОЗУ, но использует изолированный затвор полевого МОП-транзистора в качестве самого конденсатора.

До появления транзисторов (особенно полевых МОП-транзисторов) инженерам приходилось реализовывать цифровые схемы с затворами, изготовленными из электронных ламп. Как вы можете себе представить, огромный сравнительный размер и потребляемая мощность вакуумной лампы по сравнению с транзистором сделали схемы памяти, такие как статическая и динамическая RAM, практически невозможными. Были разработаны и другие, довольно оригинальные методы хранения цифровых данных без использования движущихся частей.

См.также

Внешние ссылки