Динамические ОЗУ. 
Архитектура ЭВМ и систем

Особенности динамических ОЗУ

Оперативная память — это область памяти, с которой процессор интенсивно взаимодействует во время работы компьютера. В ней (после загрузки) хранятся активные программы и данные, используемые в течение одного сеанса работы компьютера. Перед выключением компьютера или перед нажатием кнопки сброса (Reset) результаты работы (полученные данные) необходимо сохранить в энергонезависимом запоминающем устройстве (например, на жестком диске).

Эта глава посвящена структурно-функциональной и логической организации оперативной памяти. В ней рассматриваются принципы построения, функционирования и основные характеристики ОЗУ; структура оперативной памяти, разбивка ее на области и назначение этих областей; основные типы микросхем ОЗУ, модули оперативной памяти и т. д.

Элементы памяти

Название " динамические ОЗУ" обусловлено элементами памяти, в качестве которых используются конденсаторы небольшой емкости, способные, как показано ниже, хранить заряд. В реальных условиях конденсатор разряжается и требуется постоянная периодическая его подзарядка. Поэтому память на основе емкостных элементов является динамической памятью, чем она принципиально отличается от статической памяти, реализуемой на бистабильных ячейках, способных хранить информацию при включенном питании сколь угодно долго. Таким образом, динамическое хранение данных означает прежде всего возможность многократной записи информации в оперативную память, а также необходимость периодического (примерно через каждые 15 мс) обновления, или перезаписи, данных.

При использовании емкостных элементов памяти удается на одном кристалле размещать миллионы ячеек и получать самую дешевую полупроводниковую память достаточно высокого быстродействия с умеренным энергопотреблением. Благодаря этому динамические ОЗУ являются основной памятью компьютера.

О возможности использования конденсатора как элемента памяти. Идеальный конденсатор представляет собой двухполюсник, заряд которого Q является линейной функцией напряжения U (рис. 10.1,а). Если к идеальному конденсатору С через ключ К подвести напряжение U от источника ЭДС (рис. 10.1,6), то на конденсаторе появится постоянный заряд Q в соответствии с вольт-кулонной характеристикой (рис. 10.1,а). При постоянстве заряда (Q = const) ток в цепи не протекает (/= AQ/At= 0), поэтому размыкание ключа (рис. 10.1,в) не изменит состояния конденсатора С, т. е. на конденсаторе по-прежнему останутся 0 = const и U= const. Следовательно, конденсатор обладает способностью хранить заряд Qw напряжение U.

Рис. 10.1. Вольт-кулонная характеристика идеального конденсатора (а), его состояние при замкнутом (б) и разомкнутом (в) ключе К, схема разряда конденсатора С через резистор R (г).

Реальные конденсаторы обладают потерями, кроме того, для реализации режимов записи и считывания к конденсаторам подключаются внешние цепи, которые также имеют потери. Потери моделируются активным сопротивлением R, подключенным параллельно конденсатору С (рис. 10.1,г). В этих условиях при размыкании ключа К в цепи на рис. 10.1,5 через резистор R начнет протекать ток / (рис. 10.1,г) и накопленная в конденсаторе С энергия электрического поля будет преобразовываться в тепловую энергию, выделяемую на резисторе R. В процессе разряда конденсатор теряет свой заряд, и напряжение на его полюсах уменьшается. Поэтому, как отмечалось выше, использование конденсаторов в качестве элементов памяти требует периодического восстановления (регенерации) напряжения.

О реализации емкостного элемента памяти. Основой для построения емкостных элементов памяти служат МОПтранзисторы. В настоящее время широкое распространение получили однотранзисторные структуры, которые помимо емкостного элемента памяти располагают средством подключения его к разрядной шине. Структура однотранзисторного элемента памяти изображена на рис. 10.2,а и представляет собой n-МОП-транзистор, в котором сток, выполненный из поликремния, не имеет внешнего вывода. Сток транзистора образует одну обкладку конденсатора, подложка — другую. Диэлектриком между обкладками служит тонкий слой оксида кремния Si О2. Структура исток — затвор — сток выполняет функции транзисторного ключа. Схема элемента памяти приведена на рис. 10.2,6.

Однотранзисторный емкостной элемент памяти проще элемента памяти статического ОЗУ, содержащего 6 транзисторов (рис. 10.2,а). Благодаря тому что на кристалле удается разместить больше элементов памяти, динамические ОЗУ имеют значительно большую емкость памяти, чем их статические аналоги.

Рис. 10.2. Структура элемента памяти динамического ОЗУ (а) и его эквивалентная схема (б).

Работа элемента памяти в динамическом ОЗУ. Использование емкостных элементов памяти в ЗУ отражается на структуре накопителя. Помимо элементов памяти накопитель содержит дополнительные узлы и компоненты, обеспечивающие необходимые условия для нормачьного его функционирования. Для рассмотрения принципов работы элемента памяти в динамическом ОЗУ воспользуемся схемой, представленной на рис. 10.3,а. Затворы транзисторных ключей элементов памяти подключаются к адресным шинам (строкам), истоки — к разрядным шинам (столбцам).

При отсутствии напряжения на адресной шине транзистор УТ1 заперт и конденсатор Сэп элемента памяти отключен от разрядной шины. Элемент памяти работает в режиме хранения.

При поступлении напряжения на адресную шину и, следовательно, на затвор транзисторного ключа VT1 элемент памяти подсоединяется к разрядной шине. В зависимости от значения сигнала чтения/записи возможно два режима работы емкостного элемента памяти.

В режиме записи с помощью управляющих сигналов, подаваемых на затворы транзисторных ключей VT3 или VT4, в элемент памяти можно записать соответственно логические нуль или единицу. При этом логическому нулю соответствует нулевое значение напряжения на конденсаторе Сэп, логической единице — напряжение, равное Е.

Рис. 10.3. Работа элемента памяти в режимах хранения, записи и чтения В режиме считывания в силу большой протяженности разрядной шины и большого числа различных элементов, подключенных к ней, шина обладает емкостью СY, многократно превышающей емкость Сэп элемента памяти. Для считывания информации с разрядной шины при подключении к ней емкостного элемента памяти необходимо располагать точным значением напряжения на шине. Поэтому перед считыванием на разрядную шину подается фиксированное напряжение, равное напряжению источника питания Е или Е/2, для подзаряда емкости Су. После этого элемент памяти подключается к разрядной шине.

Анализ показывает [13], что:

• • при считывании на элементе памяти происходит изменение напряжения на ±рЕ/2, где р = Сэп/Су<< 1 (рис. 10.3,5,6?), т. е. считывание является разрушающим процессом и требует восстановления исходной информации;
• • напряжение на разрядной шине в режиме считывания изменяется в незначительных пределах, что затрудняет точную фиксацию хранимых в элементе памяти данных.

Для преодоления указанных недостатков принимают следующие меры:

• • для восстановления заряда элемента памяти вводят циклы регенерации;
• • увеличивают емкость СЭп элемента памяти, например, путем использования диэлектрика с бо? льшим значением диэлектрической проницаемости;
• • уменьшают емкость Cyразрядной шины едва раза путем разделения ее на две подушины;
• • для считывания используют высокочувствительные дифференциальные усилители с положительной обратной связью — усилителирегенераторы.