Serwis Edukacyjny
w I-LO w Tarnowie
obrazek

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Wstecz       Dalej  

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek

©2020 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Zapamiętywanie bitów

Dynamiczna pamięć RAM

SPIS TREŚCI
Podrozdziały

Opis

Statyczna pamięć RAM wymaga 6 tranzystorów CMOS do przechowania pojedynczego bitu informacji. Powoduje to konieczność umieszczania w układzie scalonym olbrzymich ilości tranzystorów. Dlatego inżynierowie szukali innych rozwiązań, które pozwoliłyby zredukować liczbę niezbędnych elementów na bit informacji - korzyść jest oczywista: przy pomocy identycznej technologii układów scalonych można by w nich pomieścić więcej informacji lub też układ scalony o tej samej pojemności informacyjnej zawierałby mniej elementów, a zatem byłby prostszy i tańszy. Rozwiązaniem okazała się pamięć dynamiczna, (ang dynamic random access memory - DRAM), która działa na zasadzie wykorzystania ładunku elektrycznego zgromadzonego na okładkach mikroskopijnego kondensatora. Do sterowania tym kondensatorem wystarcza pojedynczy tranzystor.

obrazek

Schemat elektryczny komórki pamięci widzimy powyżej. W porównaniu z komórką pamięci statycznej jest to niesamowite uproszczenie.  Linia słowa WL (ang. word line) steruje tranzystorem polowym, który przyłącza do linii bitu BL (ang. bit line) lub separuje od niej kondensator Cs. Cykl odczytu wygląda następująco:

Linia bitu BL jest ładowana napięciem równym około połowie napięcia zasilającego - możemy ją potraktować jak dodatkowy kondensator. Następnie zostaje wysterowana linia WL, która odblokowuje tranzystor. Odblokowany tranzystor przyłącza kondensator Cs do linii bitu. Następuje wyrównanie ładunków kondensatora Cs oraz kondensatora utworzonego z linii bitu BL. Jeśli kondensator Cs przechowywał bit 1 (napięcie na Cs równe napięciu zasilającemu), to napięcie na BL nieco wzrośnie - ładunek Cs uzupełni ładunek linii BL. Jeśli kondensator Cs był rozładowany, czyli przechowywał 0, to napięcie na BL spadnie, ponieważ Cs odbierze nieco ładunku. Zatem wzrost napięcia BL przy odczycie komórki informuje o stanie 1, spadek o stanie 0.

Zwróć uwagę, iż odczyt zawartości komórki niszczy przechowywaną w niej informację. Dlatego po każdym odczycie zawartość komórki musi być przywrócona - zregenerowana. Operacji tej dokonują wzmacniacze odświeżające (ang. refresh amplifiers), stanowiące integralny element układu scalonego pamięci dynamicznej.

Zapis danych polega na ustawieniu linii BL na napięcie zasilające przy stanie logicznym 1 lub na napięcie masy przy stanie logicznym 0. Następnie zostaje wysterowana linia WL, co spowoduje odblokowanie tranzystora i połączenie kondensatora z linią BL. W zależności od napięcia na linii BL kondensator zostanie albo naładowany (stan 1), albo rozładowany (stan 0).

Podstawowym problemem w pamięciach dynamicznych jest samorozładowywanie się kondensatora Cs spowodowane upływnościami jego izolacji (upływność to przepływ prądu przez izolację, który powoduje "wyciekanie" ładunku zgromadzonego na okładkach kondensatora) oraz przepływem prądu przez sam tranzystor polowy. Po prostu nie da się utworzyć idealnych materiałów izolujących w tak małej skali i przy założonych kosztach. Rozładowywanie się kondensatora oznacza, iż przechowywana w nim informacja może "uciec", jeśli nie będzie odpowiednio często regenerowana.  Proces regeneracji polega na cyklicznym odczycie zawartości komórki pamięci, przy którym wzmacniacze odświeżające automatycznie uzupełniają ładunek kondensatora, jeśli był on naładowany (przy rozładowanym kondensatorze nie trzeba regenerować ładunku). To właśnie dzięki upływności kondensatorów w komórkach opisywany typ pamięci nazwano pamięcią dynamiczną, gdyż wymaga ona ciągłej (czyli dynamicznej) troski o przechowywaną informację. Pomimo tych wad, pamięci dynamiczne DRAM są dzisiaj powszechnie stosowane w sprzęcie komputerowym.

Na początek:  podrozdziału   strony 

Struktura wewnętrzna pamięci dynamicznej

Różnice pomiędzy pamięcią statyczną a dynamiczną spowodowane są koniecznością odświeżania zawartości komórek. Pamięć dynamiczna zorganizowana jest w matryce bitowe. Dekoder wierszy wybiera z matrycy jeden wiersz komórek, które są odczytywane przez wzmacniacze i odświeżane. Wynika stąd, iż odczyt pojedynczej komórki pamięci powoduje odświeżenie całego wiersza komórek. Jednakże przy normalnej pracy systemu nie ma gwarancji, iż odczyty zregenerują wszystkie wiersze pamięci - przecież program może skupić się przez pewien czas tylko na małym fragmencie obszaru adresowego pamięci. Dlatego pamięć dynamiczna musi być wyposażona w specjalny układ odświeżania (ang. refresh unit), który odczytuje w kółko kolejne wiersze z matrycy. Jeśli proces ten jest wykonywany odpowiednio szybko, to zawartość pamięci będzie utrzymywana.

Adres komórki pamięci dynamicznej dostarczany jest w dwóch etapach po tych samych liniach magistrali adresowej - najpierw numer wiersza (ang. row address), a następnie numer kolumny (ang. column address). Takie rozwiązanie ułatwia pracę układów odświeżających. Numery wiersza i kolumny są zapamiętywane w wewnętrznych buforach i przekazywane do dekoderów. Po otrzymaniu numeru wiersza dekoder wierszy wybiera właściwy wiersz z matrycy bitowej. Wiersz zostaje odczytany (i odświeżony) przez wzmacniacze. Następnie, po otrzymaniu numeru kolumny, z odczytanego wiersza wybierana jest właściwa kolumna i dane z niej są albo przekazywane na magistralę danych (odczyt), albo zapisywane informacją z magistrali danych (zapis). Układy odświeżające przekazują pamięci tylko numer wiersza - numer kolumny przy odświeżaniu jest zbędny. Współczesne pamięci dynamiczne zawierają wewnątrz układu scalonego kompletny układ odświeżania (numer wiersza do odświeżenia jest automatycznie generowany przez licznik odświeżania), co znacznie ułatwia konstrukcję pamięci w komputerze - niektóre starsze mikroprocesory (np. Z80 firmy Zilog) zawierały wewnętrzny układ odświeżania prostych pamięci dynamicznych.

obrazek

Podział adresu na numer wiersza i kolumny zmniejsza liczbę linii magistrali adresowej, co upraszcza konstrukcję komputera. Jednakże dostęp do danych wymaga większego czasu niż w pamięci statycznej, ponieważ adres jest przekazywany w dwóch etapach. Z tego powodu (oraz z uwagi na konieczność odświeżania) pamięci dynamiczne są z reguły wolniejsze od pamięci statycznych.

Na początek:  podrozdziału   strony 

Sterowanie układem scalonym pamięci dynamicznej

obrazek

Współczesne pamięci DRAM są sterowane na wiele różnych sposobów - szczegółów musisz szukać w materiałach producentów. Typowa pamięć DRAM posiada następujące wyprowadzenia:

Odczyt danych z pamięci

obrazek

Odczyt zawartości komórki pamięci dynamicznej składa się z następujących kroków:

Zapis danych w pamięci

obrazek

Zapis danych do wybranej komórki pamięci odbywa się wg następującego schematu:

Na początek:  podrozdziału   strony 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2020 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl

Serwis wykorzystuje pliki cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać, zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe.