Paměťové obvody a principy jejich činnosti

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY Paměťové obvody a principy jejich činnosti BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Jan Hána Brno, jaro 2011

2 Prohlášení Prohlašuji, že tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Vedoucí práce: RNDr. Jaroslav Pelikán, Ph.D. i

3 Poděkování Chtěl bych tímto poděkovat vedoucímu práce RNDr. Jaroslavu Pelikánovi, Ph.D. za cenné rady a ochotu při konzultacích. Dále děkuji mé rodině a kamarádovi Tomáši Sýkorovi za podporu, bez které by tato práce nemohla vzniknout. ii

4 Shrnutí Tato bakalářská práce popisuje různé typy vnitřních pamětí, jejich vlastnosti, technickou realizaci a principy jejich činnosti, které dokumentují animace vytvořené v prostředí Macromedia Flash. Pozornost je taktéž věnována různým paměťovým modulům, jež slouží pro osazování paměťových obvodů. Abstract This thesis studies various types of internal memories, their properties, technical implementations and working behaviour which is demonstrated by animations created in Macromedia Flash. Furthermore, special attention is given to different kinds of memory modules which are used for the planting of memory circuits. iii

5 Klíčová slova Vnitřní paměti, paměťové obvody, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, flash, DRAM, SRAM, Macromedia Flash. Keywords Internal memories, memory circuits, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, flash, DRAM, SRAM, Macromedia Flash. iv

6 Obsah 1 Úvod Základní stavební prvky paměťových obvodů Kondenzátor Polovodičová dioda Rezistor Tranzistor Tavná pojistka Zesilovač Deska plošného spoje Pouzdro Dekodér Vlastnosti a rozdělení paměťových obvodů Přístup Kapacita Energetická závislost Dynamičnost Destruktivnost při čtení Vybavovací doba Přenosová rychlost Cena za bit Spolehlivost Pohyblivost při činnosti Typy paměťových obvodů a jejich použití Paměti typu ROM Paměti typu RWM Principy činnosti paměťových obvodů Obecný princip technické realizace ROM PROM EPROM EEPROM Flash DRAM SRAM Paměťové moduly SIMM a SIPP DIMM RIMM Závěr Literatura Příloha...44 v

7 1 Úvod Počítačové paměti jsou zařízení sloužící pro uchovávání informací, přesněji binárně kódovaných dat. Elementárně se rozdělují na vnitřní (primární) a vnější (sekundární). Mezi vnitřní se řadí zejména operační paměť, ve které jsou uloženy právě spuštěné programy, s nimiž operuje mikroprocesor. Jako vnější lze označit například optické disky typu DVD, pevné disky nebo kazety s magnetickými páskami. Tato bakalářská práce je zaměřena na první zmíněnou skupinu vnitřní paměti. Ty jsou tvořeny polovodičovými součástkami. Existují ovšem výjimky, jako jsou bubnové a feritové paměti. Jsou však dávno překonány modernějšími technologiemi. Z tohoto důvodu zde nejsou nijak hlouběji popisovány a rozebírány. Těžištěm práce bylo nastudování problematiky technické realizace různých typů vnitřních pamětí (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash, DRAM a SRAM) a interpretace získaných znalostí prostřednictvím vytvoření sady animací, které budou dokumentovat funkci výše zmíněných paměťových čipů. Součástí zadání také bylo popsat jejich vlastnosti a rozdělení. Výsledné animace se v různých formátech (FLA, SWF, EXE, HQX) nachází na přiloženém CD. Začátek této bakalářské práce je věnován základním stavebním prvkům paměťových obvodů, jako jsou například tranzistor a dekodér. Následně je pozornost zaměřena na jednotlivé vlastnosti. Pokud se paměti dle nějaké z těchto vlastností dělí do určitých skupin, je toto rozdělení uvedeno. Ve čtvrté kapitole jsou rozebrány vlastnosti a využití jednotlivých druhů čipů v praxi. Dále je pozornost věnována technické realizaci zmíněných typů paměťových obvodů. Úryvky textu z této kapitoly jsou použity ve vytvořených animacích. Práce se také ve stručnosti zaobírá moduly, které slouží pro osazování paměťových obvodů. Pro zhotovení demonstračních animací byla zvolena zkušební verze Macromedia Flash Professional Tento program sice slouží primárně pro tvorbu reklamních upoutávek na Internetu, jeho využití jsou však daleko rozsáhlejší. Při tvorbě animací byl použit objektově orientovaný programovací jazyk ActionScript 2.0. Druhou pomůckou k realizaci animací byl program FidoCadJ , který slouží pro kreslení elektronických schematických obvodů. Výhodou využití právě těchto dvou aplikací je skutečnost, že obě pracují s vektorovou grafikou. To umožnilo jejich snadnou kooperaci. 1 Zkušební verze je ke stažení na stránce 2 Zdarma ke stažení na stránce 1

8 2 Základní stavební prvky paměťových obvodů Abychom pochopili princip činnosti vnitřních pamětí, musíme se nejdříve seznámit se základními elektrotechnickými součástkami a integrovanými obvody 1, ze kterých se paměti skládají. Většina z těchto stavebních prvků má kromě níže zmíněných funkcí i další možnosti využití. Tato kapitola se však omezuje jen na vlastnosti a jevy užívané v souvislosti s technickou realizací paměťových obvodů. 2.1 Kondenzátor Kondenzátor je zařízení umožňující v sobě dočasně skladovat určité množství energie. Skládá se ze dvou vodivých destiček oddělených dielektrikem 2, které destičkám umožňuje uchovávat elektrický náboj [1]. Tato skladba je patrná i ze schematické značky na obrázku 2.1. To, jaké maximální množství náboje se na nabitém kondenzátoru může nalézat, určuje vlastnost zvaná kapacita. Obrázek 2.1: Schematická značka kondenzátoru Kondenzátory hrají v paměťových obvodech významnou roli, neboť umožňují uchovávat informaci (v podobě zmíněného elektrického náboje). Nabitý kondenzátor reprezentuje logickou hodnotu 1, naopak stav bez náboje reprezentuje logickou hodnotu 0. Jeho nevýhodou je fakt, že nabíjení a vybíjení destiček trvá nezanedbatelnou dobu, což v praxi znamená pomalejší reakci paměti na čtení a zápis. Tato doba se pohybuje v jednotkách až desítkách nanosekund (ns) [2]. 2.2 Polovodičová dioda Polovodičová dioda má v elektrickém obvodu jednoduchou úlohu. Tou je propouštění elektrického proudu pouze jedním směrem. Tato součástka má, jak lze vidět na obrázku 2.2, dva vývody anodu (kladná elektroda) a katodu (záporná elektroda). Obrázek 2.2: Schematická značka diody, popis elektrod 1 Spojení více součástek do obvodu, který má nějakou funkcionalitu (zpravidla složitější než jednotlivé součástky). 2 Izolační materiál, který je možno polarizovat. 2

9 Existují dva způsoby, kterými může být polovodičová dioda zapojena. První z nich se nazývá zapojení v propustném směru. Katoda je připojena k zápornému pólu zdroje, anoda ke kladnému a elektrický proud může protékat obvodem. Pokud je polovodičová dioda zapojena obráceně, mluví se o tzv. zapojení v závěrném směru [3]. V tomto případě dioda brání průchodu elektrického proudu Rezistor Rezistor je součástka způsobující omezení protékajícího proudu v obvodu nebo napěťový úbytek [4]. Ve vnitřních pamětech se vyskytují v paralelním zapojení, které má za následek rozdělení proudu mezi více vodičů. Obrázek 2.3: Paralelní zapojení rezistorů Značení rezistorů v obvodech není celosvětově ustálené. Nejčastěji se lze setkat s jedním ze symbolů z obrázku Tranzistor I když má mnoho různých využití, používá se v paměťových obvodech téměř vždy jako spínač, což je jeho nejjednodušší technická aplikace [3]. Každý tranzistor obsahuje tři 2 vývody. U bipolárních tranzistorů se nazývají báze, kolektor a emitor. U unipolárních pak tyto elektrody nesou označení gate, drain a source. Tranzistorů tedy existuje více druhů. Každý z nich využívá při své činnosti jiný princip. V následujících odstavcích je uvedeno jejich základní rozdělení a značení Bipolární tranzistor Obrázek 2.4: Evropská (vlevo) a americká (vpravo) schematická značka rezistoru Proudem řízené bipolární tranzistory se skládají ze tří polovodičů typu P nebo N. Podle toho, jak jsou tyto polovodiče v tranzistorech uspořádány, se rozlišují jejich dva typy NPN (báze napojena na P) a PNP (báze napojena na N). 1 Polovodičová dioda propouští proud i v závěrném směru. Tento proud je ovšem tak slabý, že jej lze zanedbat. 2 Výjimku tvoří multiemitorové tranzistory, které mají větší počet vývodů. 3

10 Pokud je na bázi tranzistoru typu NPN přiveden elektrický proud, pak tranzistor sepne, což má za následek průchod proudu z kolektoru do emitoru 1. V případě tranzistoru typu PNP prochází elektrický proud z kolektoru do emitoru, je-li na bázi přiveden záporný proud [3]. Obrázek 2.5: Schematické značky různých druhů bipolárních tranzistorů Na obrázku 2.5 lze vidět, že tranzistory se liší ve svém schematickém značení v závislosti na jejich typu a výskytu. V částech a) a c) jsou tranzistory typu NPN, naopak v částech b) a d) typu PNP. Pokud je tranzistor zapojen jako samostatná součástka, obsahuje jeho značka kružnici, jak lze vidět na horní polovině obrázku 2.5. V této práci se však budeme setkávat s tranzistory zapojenými do integrovaných obvodů, u kterých se tato kružnice vynechává. Bipolární tranzistory reagují na změnu vstupu z báze ve velice krátkých časech, což je bohužel jejich jediná výhoda [2]. Jelikož jsou řízeny elektrickým proudem, mají velkou spotřebu elektrické energie a tendenci se zahřívat. To by se negativně projevilo po jejich zapojení do pole čítajícího miliony tranzistorů. Další nevýhodou je vysoká cena, která má příčinu v pětatřiceti výrobních procesech takovýchto tranzistorů Unipolární tranzistor Existuje celá řada různých druhů unipolárních tranzistorů, v této práci je však kladen důraz jen na ty z nich, které se v dnešní době používají při realizaci paměťových obvodů. Za prvé se jedná o N-kanálový MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Tok elektrického proudu z elektrody drain do source je řízen příčným elektrickým polem, které vzniká napětím přivedeným na elektrodu gate [5]. Pokud je tedy na gate přivedeno napětí, nachází se tranzistor v sepnutém stavu. 1 Nesepnutým tranzistorem (stejně jako v závěrném směru diody) proudí zanedbatelné množství elektrického proudu. 4

11 Značení všech unipolárních tranzistorů není zcela sjednoceno, proto se lze setkat například se schematickými značkami, které jsou uvedeny na obrázku 2.6 [2], [6]. Obrázek 2.6: Schematická značka a) N-kanálového MOSFET jako samostatné součástky b) tranzistoru vyrobeného jednou z technologií MOS jako součást integrovaného obvodu Napěťové řízení N-kanálového MOSFET eliminuje plýtvání proudem a zahřívání, čímž trpí bipolární tranzistory. Oproti nim jsou unipolární tranzistory menší 1 a levnější 2. Nevýhodou je pomalejší reakce na změnu vstupu z vývodu gate [2]. Vedle těchto tranzistorů realizovaných technologií MOS se v paměťových obvodech vyskytují také tranzistory, které se označují jako MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor) a FAMOS (Floating Gate Avalanche Injection MOS-Transistor). Mají schopnost vložení (tunelování) elektrického náboje. Ten může být na přechodu tranzistoru udržován několik desítek let. Tranzistor s takto vloženým elektrickým nábojem má vyšší prahové napětí. K jeho sepnutí je tedy potřeba vyšší napěťová hodnota než k sepnutí tranzistoru bez takovéhoto náboje [6]. 2.5 Tavná pojistka Pojistky se v elektronických obvodech používají především z důvodu zabezpečení ostatních zařízení před nadměrným elektrickým proudem. Jsou nejslabším článkem 3 obvodu. Pokud se hodnota proudu dostane nad určitou hranici, pojistka se přetaví, čímž dojde k přerušení obvodu a znemožnění průchodu proudu. Tohoto jevu se využívá k uchování informace v pamětech typu PROM (Programmable Read Only Memory). Nejčastěji se používají pojistky ze slitin niklu (Ni) a chromu (Cr), které se při průchodu proudu o přibližné hodnotě 10 ma přetaví za 1 milisekundu (ms) [7]. Schematická značka tavné pojistky je na obrázku 2.7 v části a). Část b) znázorňuje, jak je v této práci zakreslována přetavená pojistka. 1 Unipolární tranzistory tedy mají možnost hustší integrace. 2 Výroba jednoho N-kanálového MOSFET vyžaduje pouze osm výrobních procesů [2]. 3 Pokud se už v obvodě nevyskytuje žádná další pojistka, pak každou další součástkou může vzhledem k pojistce protékat větší proud. 5

12 2.6 Zesilovač Obrázek 2.7: Schematické značky tavných pojistek Dříve, než je jakákoli logická hodnota předána na výstup, může být zesílena zesilovačem. Ten bude v této práci značen schematickou značkou uvedenou na obrázku 2.8. Přitom platí, že signál přichází z levé strany a zesílený se dále šíří vpravo. 2.7 Deska plošného spoje Obrázek 2.8: Zesilovač Deska plošného spoje (DPS, plošný spoj) slouží k připevňování jednotlivých součástek a integrovaných obvodů. Drží celý obvod pohromadě a zprostředkovává vodivé cesty z mědi mezi těmito zařízeními. Tím odpadá nutnost propojovat je dráty, které by zabíraly více místa a byly by náchylné na poškození (například na odtržení v místě připájení). Povrch desky s mědí je chráněn nanesením poloprůhledné izolační vrstvy, která deskám plošných spojů dodává jejich typickou zelenou barvu [8]. Ve schematických nákresech elektrických obvodů není rozlišováno propojení drátem a propojení pomocí plošného spoje. Hovoříme-li o znázorňování spojů mezi součástkami, je na místě uvést rozdíl mezi propojenými a míjejícími se vodiči. V částech b) a d) na obrázku 2.9 jsou znázorněny vodiče, které se míjí. Naopak v části c) jsou spojeny. Schematická značka a) představuje nepropojené vodiče, je-li užívána zároveň se značením c). V ostatních případech a) představuje dotýkající se vodiče. V této práci jsou použita značení a) (míjení) a c) (spoj). Obrázek 2.9: Schematické značky křížících se vodičů 6

13 2.8 Pouzdro Integrované obvody se obalují do obdélníkových pouzder, která se osazují do desek plošných spojů. Tato pouzdra obsahují kovové vývody (piny) a sama nejčastěji bývají vyrobena z keramiky nebo plastu [9]. Chrání miniaturní součástky integrovaných obvodů před vnějšími vlivy a zajišťují kompatibilitu s plošnými spoji, do kterých se zasazují. V minulosti byla hojně využívána pouzdra SIP (Single In-line Package jednořadé pouzdro) mající jednu řadu vývodů na delší straně své obdélníkové struktury, jak ukazuje obrázek Lze si všimnout, že pouzdro má v jednom svém rohu výřez tzv. zámek 1. Ten určuje směr číslování jednotlivých vývodů a orientaci osazení do desky plošného spoje. Obrázek 2.10: Boční pohled na pouzdro typu SIP [10] Dnes se na deskách plošných spojů častěji setkáme s pouzdry označovanými jako DIP 2 (Dual In-line Package dvouřadé pouzdro). Jedná se o skupinu pouzder s vývody na obou stranách [9]. Také tato pouzdra jsou opatřena výřezem, který se nachází na obrázku 2.11 vlevo u kratší strany. Obrázek 2.11: Horní a boční pohled na pouzdro typu DIP [10] 2.9 Dekodér Co se týče paměťových obvodů, je dekodér zařízení s n vstupy a 2 n výstupy. Dle logických hodnot, které dekodér obdrží na svém vstupu, vybere vždy jeden výstupní vodič. Na ten je poté umístěna hodnota logická 1. Každý výstupní vodič je charakterizován právě jednou kombinací logických hodnot na vstupních vodičích. 1 V některých publikacích se tento výřez nazývá klíč. 2 Někdy se užívá ekvivalentní označení DIL. 7

14 3 Vlastnosti a rozdělení paměťových obvodů Tato kapitola shrnuje rozdělení pamětí dle jejich jednotlivých vlastností. 3.1 Přístup Podle toho, zda doba, za kterou se z paměti obdrží požadovaná informace, závisí na tom, na jakém místě paměťového média se daná informace nachází, se rozlišují paměti s přímým a sekvenčním přístupem. Vnitřní paměti, kterými se tato práce zabývá, mají výhradně přímý přístup. To znamená, že z každého místa (specifikovaného jeho adresou) je bitový záznam získán v konstantním, předem známém čase. U některých vnějších pamětí se sekvenčním přístupem se tato doba může lišit až o hodiny. 3.2 Kapacita Datová kapacita je hodnota vyjadřující množství informací, které je možné do paměti uložit. Vyjadřuje se v bajtech 1 (B). Jelikož je potřeba uchovávat mnoho informací, je bajt jednotkou příliš malou a používají se jeho násobky 2, které se označují jako kilobajty (kb), megabajty (MB), gigabajty (GB) a terabajty (TB) 3. V dnešní době paměti u stolních a přenosných počítačů dosahují jednotek gigabajtů. Jelikož počítače pracují s dvojkovým kódem (nuly a jedničky), předpony bajtů mají základ v mocninách dvojky. Například jeden kilobajt je 2 10 (1 024) bajtů, jeden megabajt 2 20 ( ) bajtů. Z toho vyplývá, že pokud se převádí jednotky mezi sousedními řády, nenásobí (nedělí) se tisícem, ale číslem Výše zmíněné přepočty mezi řády jsou běžně uváděny v literatuře zaměřené na oblast informačních technologií. Lze se ovšem také setkat se stejným přepočtem řádů, který se používá u mezinárodní soustavy jednotek (SI). V takovém případě je jeden kilobajt 10 3 (1 000) bajtů, jeden megabajt 10 6 ( ) bajtů atd. Výše zmíněným a následujícím mocninám 2 10, 2 20, 2 30 a 2 40 pak odpovídají označení kibibajt (KiB), mebibajt (MiB), gibibajt (GiB) a tebibajt (TiB). V této práci se k vyjádření datové kapacity užívá předpon a přepočtů uvedených v prvním odstavci. 3.3 Energetická závislost Je-li paměť energeticky závislá (nestálá, prchavá, volatilní, přechodná) [11], ztrácí ihned po odpojení od zdroje elektrického napájení uložené informace. Energeticky nezávislé (stálé, permanentní, neprchavé, nevolatilní, nepřechodné) paměti jsou naopak ty, které k udržení uložených informací nepotřebují elektrickou energii. Paměti, ze kterých se kvůli 1 Jeden bajt se skládá z osmi elementárních logických hodnot, kterým se říká bity (b). 2 Stejné násobky a předpony se používají také pro bity. 3 U dnešních superpočítačů nejsou výjimkou úložná média s datovou kapacitou v řádech několika petabajtů (PB). 8

15 charakteru jejich technické realizace mohou informace ztratit za dobu v řádech jednotek až desítek let, se obecně považují za energeticky nezávislé. 3.4 Dynamičnost Dle tohoto kritéria se paměti rozdělují na statické a dynamické. Statické paměti v sobě automaticky uchovávají všechna data po celou dobu připojení k elektrickému napájení. Naproti tomu existují paměti dynamické, které mají tendenci ztrácet uloženou informaci, přestože jsou připojeny ke zdroji elektrické energie. Aby data v dynamických pamětech nebyla nenávratně zapomenuta, musí se v krátkých časových intervalech obnovovat. Tomuto procesu se říká občerstvování (anglicky refresh) nebo také periodické oživování a typicky probíhá v rozmezí 2 milisekund až 10 mikrosekund (μs) [12]. V praxi se jedná o opětovné nabíjení kondenzátoru, který by jinak za určitý časový úsek ztratil svůj elektrický náboj. O tuto činnost se stará řadič dané paměti. 3.5 Destruktivnost při čtení Na základě této vlastnosti dělíme paměti na destruktivní a nedestruktivní při čtení. Pokud se přečte informace z paměťového obvodu destruktivního při čtení, o uložená data se touto operací přijde. Aby se o právě přečtenou informaci definitivně nepřišlo, je třeba ji po přečtení znovu zapsat. To na rozdíl od pamětí nedestruktivních při čtení, s jejichž daty se po přečtení nic nestane, vyžaduje režii a čas navíc. 3.6 Vybavovací doba Jedná se o dobu, která uplyne od zadání požadavku ke čtení (k zápisu) po zpřístupnění (uložení) dané informace. Ta se u dnes používaných vnitřních pamětí pohybuje v řádech jednotek až desítek nanosekund [13]. Někdy se k jejímu vyjádření používá termín přístupová doba. Výrobci se snaží tento parametr minimalizovat. Pokud paměť zpřístupňuje v sobě uložené informace v dlouhém časovém intervalu, vede to k plýtvání času a výkonu zařízení pracujícího s touto pamětí. 3.7 Přenosová rychlost Přenosová rychlost charakterizuje objem informací, který je možno z paměti přečíst (do paměti zapsat) za jednotku času. Tou jsou standardně sekundy. Základní jednotkou přenosové rychlosti je tedy bajt za sekundu, což se značí B/s, případně Bps (z anglického výrazu byte per second). Maximalizace tohoto parametru je důležitá zejména pro operační paměti. Čím více dat bude schopna takováto paměť za jednu sekundu přenést, tím rychleji bude mít celý počítač možnost pracovat. Místo slovního spojení přenosová rychlost se lze také setkat s ekvivalentními termíny propustnost a šířka pásma [14]. 9

16 3.8 Cena za bit Cena paměťového média, která je vydělena jeho kapacitou v bitech. Cena za bit zpravidla klesá s rostoucí kapacitou a snižující se přenosovou rychlostí úložného média. Vnitřní paměti jsou tak kvůli své malé kapacitě poměrně drahé, srovnáme-li je s pamětmi vnějšími. 3.9 Spolehlivost Stejně jako u všech ostatních technických zařízení počítače se i u paměťového obvodu může vyskytnout porucha. Parametr, který se snaží podchytit poruchovost, se nazývá spolehlivost. Ta vyjadřuje střední dobu mezi dvěma poruchami 1 a udává se nejčastěji v hodinách, případně s přepočtem na roky [14]. Čím je tato hodnota větší, tím je paměť spolehlivější. Jelikož pro statistické určení této veličiny není zaveden žádný platný standard [9], může být údaj o spolehlivosti zavádějící. Existují také odlišné interpretace této vlastnosti. Jednou z nich je například jedna chyba na počet bitů toku [15] Pohyblivost při činnosti Dle této ne příliš často zmiňované vlastnosti se rozlišuje, zda se paměť při své činnosti nějakým způsobem pohybuje. Příkladem pohyblivých pamětí mohou být otáčející se kotouče disket a magnetické pásky, které se při čtení a zápisu převíjejí. Vnitřní paměti jsou v tomto ohledu statické. Jedinou výjimku tvoří archaické bubnové paměti 2, které se svého času používaly jako paměti operační [5]. 1 K vyjádření spolehlivosti se využívá zkratky MTBF (Mean Time Between Failures střední doba mezi poruchami). 2 Paměťové médium s kovovým rotujícím válcem, na kterém je nanesena magnetická vrstva pro záznam dat. 10

17 4 Typy paměťových obvodů a jejich použití Kromě dělení, které je uvedeno v předešlé kapitole, se vnitřní paměti rozlišují také podle toho, zda umožňují běžný zápis informací. Pokud ano, hovoří se o pamětech pro čtení i zápis. Nesou označení RWM (z anglického termínu Read-Write Memory). V opačném případě se jedná o typ zvaný ROM (Read-Only Memory), tedy paměť určenou pouze pro čtení. Oba zmíněné typy se souhrnně označují jako RAM 1 [6]. Tato zkratka označuje paměti s libovolným přístupem (Random Access Memory). Často se také používají volnější překlady paměť s přímým přístupem a paměť s libovolným výběrem. Všechny tyto překlady vyjadřují skutečnost, že paměť může v konstantním čase vydat obsah libovolné adresovatelné části bez ohledu na to, kde se daná část fyzicky nachází. Analogicky to platí také pro zápis. 4.1 Paměti typu ROM Pro tento typ se také používá označení WORM (Write Once, Read Many/Multiple). Překlad zkratky WORM zapsat jednou, číst mnohokrát však nevystihuje funkčnost těchto pamětí zcela přesně. U většiny dnes používaných vnitřních pamětí typu ROM lze jejich obsah určitým způsobem změnit [6]. Nicméně poměr zápisu a čtení je stále výrazně posunut na stranu čtení. Z tohoto důvodu se řadí do této skupiny, která také bývá označována zkratkou RMM (Read-Mostly Memory, do češtiny přeložitelné jako většinou pro čtení sloužící paměť). Všechny ROM jsou energeticky nezávislé uchovávají v sobě uložené informace i po odpojení od zdroje elektrické energie. Z tohoto důvodu jsou vhodné zejména pro udržování dat po dobu, kdy je počítač vypnutý. Těmito daty ve většině případů bývá BIOS (Basic Input/Output System 2 ), který obsahuje základní ovladače potřebné pro spuštění počítače, dále pak testy hardwaru, program Setup 3 a instrukce pro zavedení operačního systému. Jsou-li tedy paměti typu ROM energeticky nezávislé, pak také platí, že jsou statické a nedestruktivní při čtení. Paměťové čipy ROM se dále dělí na další podtypy, které jsou uvedeny níže ROM První vyrobené paměťové obvody tohoto typu nesly stejné označení jako celá skupina pamětí pro čtení ROM. Informace se do nich zapisovaly již při výrobě pomocí tzv. 1 Protikladem k RAM není ROM, jak je někdy chybně uváděno, nýbrž SAM (Sequential Access Memory). Tedy paměť se sekvenčním přístupem. 2 Základní vstupně výstupní systém, který tvoří rozhraní mezi hardwarem a softwarem. 3 Program Setup slouží k základní konfiguraci počítače, jako je nastavení času, periferií pro spouštění operačního systému atd. 11

18 masky. Z tohoto důvodu se jim také říkalo maskové čipy ROM. Výroba masky byla nejnákladnější součást výroby a pokud se obsah paměti měl změnit, bylo potřeba celou masku znovu navrhnout a vyrobit. Výroba takovýchto pamětí byla výhodná pouze tehdy, když se vyráběl velký počet čipů se stejným obsahem. Uložená data nebylo možné modifikovat či smazat. V dnešní době se již do počítačů neosazují, takže se s nimi lze setkat jen velice vzácně [9]. Nahrazeny byly některými modernějšími typy, které dovolují aktualizaci zapsaných informací. Tyto dnes již nepoužívané paměti měly vybavovací dobu 150 ns [2] a vyráběly se o kapacitách v rozmezí jednotek až stovek kb [9] PROM Paměť, která nahradila maskové čipy ROM, nese označení PROM (Programmable Read- Only Memory, česky programovatelná paměť pouze pro čtení). Na rozdíl od své předchůdkyně se nezávisle na datech vyrábí stejnými výrobními procesy. Zapsání informace se provádí až jako poslední výrobní krok firmou, která tuto paměť instaluje do svého zařízení, případně koncovým uživatelem, jenž si prázdný čip zakoupí. Pro tento účel slouží zařízení zvané programátor ROM, případně vypalovač ROM nebo vypalovač PROM. Obrázek 4.1 ilustruje právě takovýto přístroj, který dokáže vepsat data až do čtyř paměťových čipů zároveň, což může výrazně ušetřit čas. Naprogramování jednoho čipu totiž může trvat v horším případě i několik minut [9]. Zápis do PROM se provádí jednorázově a je nevratný. Z tohoto důvodu se také hovoří o paměti OTP (One-Time Programming/Programmable jednou programovatelné). Obrázek 4.1: Vypalovač PROM [9] Vybavovací doba PROM se pohybuje v desítkách nanosekund [16]. Kapacita takovýchto pamětí je v podstatě srovnatelná s maskovými čipy ROM [9] EPROM Paměťové čipy EPROM (Erasable PROM mazatelná PROM) dovolují zapsanou informaci vymazat a umožnit tak opakované nahrání dat. Mazání probíhá pomocí 12

19 speciálního zařízení (viz obrázek 4.2), které je schopno zapsané informace odstranit v rozmezí od 5 do 30 minut [9], [14]. Samotný výmaz je realizován intenzivním působením vysokoenergetického ultrafialového (UV) záření na jádro paměťového čipu. Tam se záření dostane křemenným 1 okénkem, kterým je vybaveno pouzdro paměťového obvodu. Toto okénko bývá často zatemněno přelepkou, aby nemohlo dojít k nechtěné ztrátě dat vlivem slunečního záření či vlivy uvnitř skříně počítače. Zápis binárních dat do EPROM se (stejně jako u PROM) opět provádí pomocí speciálního zařízení programátoru EPROM. Počet vymazání a naprogramování je omezen a může se opakovat řádově ve stovkách těchto cyklů [17]. U EPROM platí, že vymazána je vždy celá paměť, nikoli jen její část. Obrázek 4.2: Zařízení pro vymazání EPROM s ukázkou těchto čipů [9] Vybavovací doba takovýchto čipů nabývá hodnot od 20 do 200 ns a jsou k dostání o kapacitách v rozmezí od 128 B do 4 MB [18] EEPROM Čipy EPROM mají sice možnost vymazání pomocí ultrafialového záření, to ale trvá relativně dlouhou dobu. Tuto nevýhodu řeší elektricky mazatelné PROM 2. Označují se nejčastěji jako EEPROM (Electrically/Electrical Erasable PROM). Není ovšem výjimkou setkat se s alternativními označeními EAROM (Electronically Alterable ROM elektricky měnitelná ROM), E2ROM a E 2 PROM [6], [14]. Mají možnost naprogramování i mazání pomocí elektrického proudu, což je opět realizováno prostřednictvím speciálního periferního zařízení programátoru EEPROM. Doba zápisu jednoho bitu je poměrně dlouhá pohybuje se v desítkách milisekund. Výhodou těchto pamětí je také skutečnost, že lze samostatně vymazat menší část paměťového pole [2]. Typicky jeden řádek. Pokud je tedy potřeba udělat v datech jen malou změnu, nemusí se čip mazat celý a není třeba zapisovat všechna data znovu. Mazání lze provést přibližně tisíckrát [17]. Ohraničena je 1 Okénko pamětí typu EPROM nemůže být z klasického skla. Pokud by tomu tak bylo, nemohlo by k výmazu dojít, protože sklo nepropouští ultrafialové záření, které se při mazání dat musí dostat dovnitř pouzdra. 2 Doba, která je potřebná pro vymazání, se pohybuje v milisekundách [14]. 13

20 také doba, po kterou paměť data uchovává. Výrobci ji udávají od 10 do 200 let [19]. Vybavovací doby čipů EEPROM se velice liší. Nejrychlejší z nich dokážou poskytnout data přibližně za 25 ns, naopak u nejpomalejších se maximální přístupová doba pohybuje okolo 4,5 μs. Existují EEPROM s datovou kapacitou pouhých 16 B. Standardně jsou k dostání až o velikosti 4 MB Flash Paměti typu flash, které jsou v podstatě drobnou obměnou EEPROM, se také označují jako Flash-PROM nebo Flash-EPROM, což je možno přeložit jako blesková PROM/EPROM. Blesková proto, že oproti ostatním pamětem typu ROM lze data zapisovat a mazat podstatně rychleji [2]. Zřejmě největší výhodou těchto čipů je skutečnost, že ke svému vymazání a naprogramování nepotřebují žádné speciální zařízení (programátor), které by musel uživatel vlastnit, pokud by chtěl modifikovat obsah paměti flash. Přeprogramování je možno provést přímo v zařízení, ve kterém se čip nachází. Odpadá tudíž nutnost demontovat skříň počítače a požadovanou paměť vyjmout, což může při neodborné manipulaci vést k jejímu trvalému poškození [20]. Paměti typu flash existují ve dvou různých variantách, které se od sebe liší zejména hustotou paměťových buněk a oblastí použití [12] NOR flash Flash paměti tohoto typu mají implementovaný plný adresovací mechanismus, což znamená, že procesor s nimi pracující má zprostředkovaný přímý přístup ke každé paměťové buňce. Mohou být mapovány do části adresního prostoru nějakého procesoru. To dovoluje spouštět programy, které jsou v čipu NOR flash nahrány, bez nutnosti je nejprve překopírovat do operační paměti počítače 1. Nejen díky této skutečnosti se flash paměti typu NOR používají jako úložiště BIOSu a jiných firmwarů 2 nejrůznějších elektronických zařízení, jako jsou například mobilní telefony. Pokud výrobce konkrétní základní desky počítače vydá novou verzi BIOSu, uživatel má možnost si ji stáhnout z firemních www-stránek a přehrát ji do flash paměti se starým BIOSem. Toto je v drtivé většině případů podmíněno mechanickým přenastavením jumperu 3 (česky spojky nebo propojky), čímž se umožní zápis do paměťového čipu s BIOSem [9]. Pokud by bylo kdykoli možné provést takovýto zápis bez nutnosti přepojení jumperu, mohla by být paměť flash snadno atakována počítačovým virem [20]. To je důvodem toho, proč se někdy ani u nejmodernějších počítačů nelze zbavit nutnosti demontovat boční stěnu skříně. 1 Technologie, která toto umožňuje, se nazývá XIP (execute In Place spusť na místě). 2 Základní programové vybavení technického zařízení, které nahrává jeho výrobce. 3 Plastová součástka obsahující vodič. Po jejím osazení (typicky na dvojici vodičů) dojde k uzavření obvodu. 14

21 Vybavovací doba flash pamětí typu NOR činí 5 až 350 ns [21]. V dnešní době jsou vyráběny o kapacitách v rozmezí od 32 kb do 256 MB. Životnost čipů NOR flash je ohraničena cca až výmazy a zápisy [13], [22]. Trvanlivost zaznamenaných dat je dle výrobců nejméně 10 let [12] NAND flash Tyto čipy (na rozdíl od flash pamětí NOR) nemají implementovaný plný adresovací mechanismus. Adresovány jsou bloky dat o velikostech od 256 B do 128 kb [6], [12]. Nejčastěji však mívá blok flash paměti 512 B. Bloková struktura značně redukuje počet vodičů potřebných uvnitř čipu typu NAND. Takto ušetřené místo je vyplněno dalšími paměťovými bloky. To je také jeden z důvodů, proč mají tyto paměti větší kapacitu. Jsou také levnější než flash typu NOR, protože realizace paměťových buněk v blocích je méně náročná na výrobu než implementace plného adresovacího mechanismu. NAND flash jsou součástí nejrůznějších paměťových karet a také přenosných i pevných flash disků. U takovýchto zařízení je poměr čtení a zápisu téměř vyrovnán. Z tohoto důvodu se o nich již nehovoří jako o pamětech typu WORM. Zmíněné paměťové karty a přenosné flash disky se řadí mezi vnější paměti. Z důvodu jejich technické realizace, která je velice podobná EEPROM, jsou i takováto zařízení v této práci zařazena mezi čipy typu ROM, ačkoliv by svá umístění mohla najít mezi pamětmi pro čtení i zápis. Výrobci udávané čtecí přístupové doby se různí ještě výrazněji než u pamětí typu EEPROM [21]. Pohybují se od 8 ns do 60 μs. Lze se setkat s NAND flash s kapacitami v rozsahu od 64 kb do 16 GB, přičemž nejmodernější prodávané přenosné flash disky s USB 1 (Universal Serial Bus) rozhraním, které se mohou skládat z více čipů NAND [12], dosahují kapacity až 256 GB. Tyto čipy umožňují cca až výmazů a zápisů. To je více, než dovolují NOR flash, které slouží spíše pro čtení. Trvanlivost zapsaných informací je stejná jako u NOR flash nejméně 10 let, přičemž výrobci uvádí tento parametr několikanásobně větší. 4.2 Paměti typu RWM Pro tento typ pamětí se někdy využívá zkratky WMRM (Write Many, Read Many), jejíž překlad znamená zapsat vícekrát, číst vícekrát. Poměr čtení a zápisu z/do těchto pamětí je z dlouhodobého hlediska vyrovnán. Většina počítačově orientované literatury (a nejen ta) poněkud nesprávně označuje paměti typu RWM jako RAM. RWM je přitom podmnožinou RAM, která zahrnuje také ROM. Paměti typu RWM jsou energeticky závislé. Po odpojení od zdroje napájení ztrácí všechny v sobě uložené informace. Podle dynamičnosti se RWM dělí na dynamické a statické. 1 Univerzální sériová sběrnice, která umožňuje k počítači připojit až 127 periferních zařízení [6]. 15

22 4.2.1 DRAM DRAM (Dynamic Random Access Memory) je dynamická paměť, proto je potřeba provádět u ní refresh. Používá se především tam, kde je nutnost větší datové kapacity, než kterou disponuje většina pamětí typu ROM. Touto oblastí je zejména operační paměť počítače a videopaměť grafických karet [12]. Velké kapacity, která se pohybuje od stovek kilobajtů až do stovek megabajtů [9], [12], je dosaženo možností vysoké míry integrace poměrně jednoduchých paměťových buněk, jejichž výroba je (při porovnání s jinými typy pamětí pro čtení i zápis) relativně snadná. Daní za tyto výhody je nutnost neustálého obnovování uložené informace, což je také jeden z faktorů, který negativně ovlivňuje přístupovou dobu těchto dynamických čipů. Tato doba se pohybuje v rozmezí od 350 ps (pikosekund 1 ) do 200 ns, přičemž pro účely operačních pamětí se běžně používají DRAM s přístupovou dobou v řádech jednotek či desítek nanosekund. Pro vyjádření této doby se také používá termín délka cyklu. Ta udává rychlost (frekvenci) paměti, kterou lze vyjádřit v hertzích (Hz). Vezmeme-li si čip DRAM s délkou cyklu 5 ns, lze prohlásit, že v časovém intervalu jedné vteřiny je paměť schopna provést (1/( )) těchto cyklů, což odpovídá rychlosti 200 MHz SRAM Téměř přesným opakem DRAM jsou statické paměti SRAM (Static Random Access Memory). Princip jejich technické realizace, který je popsán v další kapitole, neumožňuje tak vysokou míru integrace paměťových buněk, jak je tomu u DRAM. Pokud bychom srovnali čipy DRAM a SRAM o stejné ploše jejich pouzder, byla by datová kapacita SRAM zhruba 30x menší [9]. V jejich neprospěch mluví také vyšší náklady na výrobu. Při porovnání pamětí DRAM a SRAM o stejné kapacitě bude SRAM asi 30x dražší. Tyto nevýhody však kompenzují výrazná pozitiva. Jelikož se jedná o paměti statické, není třeba provádět žádný refresh, kterým by byl zatěžován procesor a který by znemožňoval okamžitý přístup k paměťovému čipu. Z cenových a prostorových důvodů se SRAM nepoužívají jako operační paměti. Své využití naopak nachází v roli cache 2 (česky skrýš ) pamětí sloužících pro vyrovnávání rychlostních rozdílů mezi zařízeními pracujícími na různých frekvencích. Typicky se jedná o procesor a dynamickou operační paměť. Dále se pak SRAM používají pro realizaci registrů v procesoru a výrobu pamětí, jež v sobě uchovávají čas, datum a nastavení konfigurace z BIOSu 3. Jelikož jsou SRAM energeticky závislé a ztráta těchto konfiguračních dat po odpojení počítače od zdroje 1 Jedna pikosekunda je sekund. 2 Cache paměť se také označuje jako paměť vyrovnávací. 3 Pro tuto paměť se používá označení CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Zkratka je do češtiny přeložitelná jako doplňující se konstrukční prvek s vrstvami kovu, kysličníku a polovodiče [6]. Oním doplňováním je myšleno využití dvojic tranzistorů MOS s různými vodivostními kanály. Technologie CMOS potřebuje k udržení uložených dat jen velice nízký příkon. 16

23 energie není žádoucí, je tato paměť napájena baterií nebo akumulátorem osazeným na základní desce. Statické paměti jsou vyráběny v různých kapacitních provedeních. Nejmenší SRAM mají pouhých 8 B [24]. Datově nejobjemnější pak dosahují několika desítek megabajtů. Přístupové doby se pohybují v rozmezí od 290 ps do stovek nanosekund. Kapacita vyrovnávacích pamětí činí několik desítek kilobajtů až megabajtů [12]. Jejich přístupová doba se čítá na jednotky nanosekund, u starších počítačů 10 až 20 ns. 17

24 5 Principy činnosti paměťových obvodů Většinu níže uvedených zapojení paměťových obvodů a principy jejich činnosti názorně dokumentuje sada interaktivních animací, které se v různých formátech (FLA, SWF, EXE, HQX) nachází na přiloženém CD. Následující kapitoly obsahují navíc oproti animacím dodatečné informace. Ty však nejsou podstatné pro pochopení základních principů funkčnosti vnitřních pamětí. Z tohoto důvodu jsou zařazeny pouze zde. 5.1 Obecný princip technické realizace Paměťové obvody v sobě uchovávají informace prostřednictvím paměťových buněk. Tato buňka se může nacházet typicky ve dvou stavech, z nichž jeden reprezentuje logickou hodnotu 1 a druhý logickou hodnotu 0. Kapacita každé takovéto buňky je 1 b. Existují však také paměťové buňky, které dokáží uchovávat 2 3 bity [25], [26]. Nesou označení MLC (Multi-Level Cell víceúrovňová buňka) a TLC 1 (Triple-Level Cell tříúrovňová buňka). Paměťové buňky jsou řazeny do matic, což ilustruje obrázek 5.1. Obrázek 5.1: Část matice s jednobitovými paměťovými buňkami Jednotlivé buňky jsou v matici propojeny vodiči. V této práci se vodorovné vodiče nazývají adresové. Naopak datové vodiče jsou v matici paměťových buněk znázorňovány svisle. Pokud je potřeba zapsat data do paměti (případně je z paměti přečíst), je nutné definovat, které buňky budou k tomuto účelu sloužit. V praxi to znamená vybrat jeden z adresových vodičů a umístit na něj hodnotu logická 1. Pokud by měla paměťová matice osm řádků, bylo by k adresování třeba osmi adresových vodičů, ze kterých by se vždy vybral právě jeden. Jelikož však mají paměťové obvody ve skutečnosti stovky až tisíce řádků [6], byla by takováto realizace téměř nemožná. Z tohoto důvodu se přistupuje 1 Alternativním označením pro tuto paměťovou buňku je 3-bit MLC (tříbitová víceúrovňová buňka) a také 3BPC (3 Bits Per Cell 3 bity na buňku) [26]. 18

25 k výběru adresového vodiče pomocí dekodéru, který značně redukuje počet vývodů z pouzdra paměťového obvodu. S použitím dekodéru lze zmíněných osm (2 3 ) řádků adresovat pomocí tří adresových vodičů. Dekodér s maticí buněk o osmi řádcích i sloupcích je znázorněn na obrázku 5.2. Kapacita takovéhoto paměťového obvodu je 64 b a jeho nejmenší adresovatelná jednotka je 8 b, neboť jeden adresový vodič má právě osm paměťových buněk. Obrázek 5.2: Obecné schema paměťové matice s dekodérem Dekodér z tříbitové adresy zjistí, který adresový vodič má být vybrán. Na ten pak umístí hodnotu logická 1, což umožní čtení z (zápis do) vybraného řádku paměťové matice. Pokud paměťová buňka uchovává hodnotu logická 1, přejde signál z adresového vodiče na datový, což se po zesílení operačním zesilovačem projeví v registru jako hodnota bitu ROM Paměti typu ROM se z hlediska výroby dělí na dvě skupiny [6]. U původních čipů ROM (takzvaných čistých ROM) bylo ještě před započetím výroby zváženo, jaká data budou obsahovat, což umožnilo prostorovou optimalizaci matice paměťových buněk. Pokud totiž měla paměťová buňka představovat hodnotu 0, nebyla do obvodu vůbec začleněna. Její absence pak snižovala náročnost na plochu použitého čipu. Posléze byly vyvinuty takzvané maskové ROM, které se bez ohledu na zapisovaná data vyráběly identickými postupy. Všechny paměťové buňky byly vždy realizovány, takže nedocházelo k žádné úspoře místa na ploše čipu. Ovšem nespornou výhodou takovéto realizace byla právě jednotnost výroby pamětí s různým informačním obsahem. Použití stejných výrobních postupů a technologií mělo za následek úsporu času a také 19

26 výrobních nákladů, jelikož odpadla potřeba navrhovat matice pro každý datový obsah zvlášť. Zohlednění zapisovaných dat proběhlo až v úplně poslední fázi výroby. Binární kód reprezentovala maska, přes kterou se při fotolitografické 1 výrobě maskového čipu ROM zapisovala data [9]. Podle toho, jakou hodnotu měla paměťová buňka reprezentovat, došlo k propojení (případně k nepropojení) této buňky s adresovým vodičem [27]. Obrázek 5.3: Princip použití masky při fotolitografické výrobě ROM [28] Realizace ROM pomocí polovodičové diody První paměťové buňky ROM byly realizovány prostřednictvím polovodičových diod [27]. Možná zapojení jedné takové buňky znázorňuje obrázek 5.4. Obrázek 5.4: Schema diodové paměťové buňky ROM Zapojení každé paměťové buňky závisí na tom, jakou logickou hodnotu má představovat. V případě hodnoty logická 0 nejsou mezi sebou adresové a datové vodiče nijak propojeny. Je-li po zadání adresy na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, 1 Ozáření některých míst desky plošného spoje, na níž je nanesen fotorezist (materiál, který je citlivý na některé druhy elektromagnetického záření) [28]. Přes masku dopadá světlo jen na některá místa. V případě použití negativního fotorezistu zůstane osvětlená část na desce plošného spoje a neosvětlená část se odleptá (viz obrázek 5.3). Při použití pozitivního fotorezistu by se naopak odleptala pouze osvětlená část. Tento technologický postup se používá k výrobě téměř všech paměťových obvodů. 20

27 nemůže se tento signál žádným způsobem dostat na vodič datový. To má za následek, že na výstupu bude vždy obdržena hodnota bitu 0. V opačném případě, kdy paměťová buňka reprezentuje hodnotu bitu 1, je pomocí vodiče a diody propojen adresový vodič s datovým. Pokud je tedy na adresový vodič umístěna hodnota logická 1, přejde přes diodu na vodič datový, na jehož konci je zesílena a poté uložena do výstupního registru jako hodnota bitu 1. Zmíněná dioda má za úkol propouštět elektrický proud z adresového vodiče na datový, nikoliv však v opačném směru. Kdyby byla paměťová buňka realizována prostým propojením obou vodičů, přecházel by sice signál z adresových vodičů na datové, ale zároveň by tento nabitý datový vodič šířil hodnotu logická 1 na adresové vodiče v sousedních řádcích. V praxi by tímto došlo ke čtení více řádků najednou, což by se ve výstupním registru každého sloupce mohlo projevit jako výsledek disjunkce bitových hodnot příslušného sloupce (případně jeho části). Obrázek 5.5: Principiální zapojení ROM o struktuře 8 12 [29] Z obrázku 5.5 je patrné, že datové vodiče jsou přímo nabíjeny adresovými vodiči a nevyskytuje se zde žádné podpůrné napájení [27] Realizace ROM pomocí tranzistoru K realizaci paměťové buňky typu ROM lze také použít tranzistor TTL [30]. Takovýto tranzistor TTL má bázi 1 připojenou na adresový vodič, kolektor k datovému vodiči a emitor k uzemnění, což lze vidět na obrázku 5.6. Na rozdíl od technické realizace 1 Pokud paměťová buňka reprezentuje hodnotu bitu 1, báze tranzistoru není zapojena. 21

28 pomocí polovodičové diody má tento druh zapojení připojený zdroj napětí k datovým vodičům. Uzemnění jednotlivých paměťových buněk je také věc, která se v předchozí realizaci ROM nevyskytovala. Kladná svorka ( + ) napěťového zdroje se označuje Vdd nebo Vcc [2], [12]. Záporné (zemnící) svorky ( - ) nesou označení Gnd nebo Vss. Pokud se pro identifikaci kladné svorky používá značka Vdd, pak se záporná svorka zpravidla nazývá Gnd. Pro Vcc a Vss platí analogicky to samé. Některé literatury však tuto konvenci nedodržují [6]. Obrázek 5.6: Realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru typu NPN v technologii TTL Při čtení takovýchto paměťových buněk umístí dekodér na jeden z adresových vodičů hodnotu logická 1. Pokud se provádí čtení z buňky, která uchovává hodnotu bitu 0 (báze tranzistoru je připojena na adresový vodič), hodnota logická je přivedena na bázi tranzistoru, což způsobí jeho sepnutí. Ve stejný okamžik začne proud z datového vodiče proudit přes kolektor tranzistoru do jeho emitoru, který je napojen na uzemnění. To způsobí, že se hodnota logická 1 z datového vodiče za paměťovou buňkou již dále nešíří. Z tohoto důvodu se nedostane na jeho konec, kde se tento stav vyhodnotí jako hodnota bitu 0. Paměťová buňka s hodnotou bitu 1 je reprezentována tranzistorem, jehož báze není propojena s adresovým vodičem. Hodnota logická 1 na adresovém vodiči tedy nemůže tento tranzistor uvést do sepnutého stavu. Nesepnutý tranzistor neumožní uzemnění datového vodiče, který je připojen na potenciál napájení. Hodnota logická 1 na datovém vodiči se tedy dostane až na jeho konec. Zde je po zesílení čtecími zesilovači uložena do výstupního registru, kde představuje hodnotu bitu 1. V případě realizace takovéto paměťové buňky je zde přítomnost tranzistoru zcela zbytečná. Nicméně z hlediska výroby je jednodušší a rychlejší takovýto tranzistor vyrobit a až v posledním výrobním kroku se rozhodnout jeho bázi s příslušným adresovým vodičem nepropojit (viz kapitola 5.2). Namísto tranzistoru TTL lze použít tranzistor vyrobený technologií MOS (viz 22

29 obrázek 5.7). Princip čtení takovýchto paměťových buněk je totožný s principem čtení buněk, které jsou realizovány pomocí tranzistorů TTL. Obrázek 5.7: Realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru MOS Realizaci paměťové buňky propojením/nepropojením tranzistoru s adresovým vodičem je možno provést ještě dalším způsobem [27], což dokumentuje obrázek 5.8. Obrázek 5.8: Další možná realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru MOS V tomto případě (je-li použit tranzistor MOS) není na napájecí napětí připojen datový vodič, ale elektroda drain tranzistoru každé paměťové buňky. Elektroda source je vždy připojena na datový vodič. Jedná-li se o buňku, která reprezentuje hodnotu bitu 1, je elektroda gate tranzistoru MOS připojena na adresový vodič odpovídajícího řádku paměti. Čtení takto zapojené paměťové buňky probíhá následovně. Na adresový vodič je dekodérem přivedena hodnota logická 1, která se dostane na elektrodu gate, což způsobí sepnutí tranzistoru. V tu chvíli začne z elektrody drain do source téct elektrický proud, jelikož elektroda drain je připojena na zdroj napájení. Tento protékající proud, jenž reprezentuje hodnotu logická 1, se dostane na datový vodič, na jehož konci představuje přečtenou hodnotu bitu 1. 23

30 Pokud paměťová buňka uchovává hodnotu bitu 0, není elektroda gate žádným způsobem propojena s adresovým vodičem. Signál na tomto adresovém vodiči nemůže uvést tranzistor do sepnutého stavu. Z tohoto důvodu také nedojde k přenosu hodnoty logická 1 na datový vodič. Výše zmíněnou implementaci paměťové buňky je také možno realizovat použitím tranzistoru vyrobeného v technologii TTL (obrázek 5.9). 5.3 PROM Obrázek 5.9: Další možná realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru TTL Na rozdíl od čipů ROM se v době výroby nijak nekalkuluje s tím, jaká data bude paměť obsahovat. Před zhotovením se neprovádí žádná prostorová optimalizace. Odpadá také návrh a realizace fotolitografické masky. Obě tyto skutečnosti šetří čas i náklady potřebné k výrobě pamětí tohoto typu. Data jsou v principu zapisována vždy stejně. K pojistce jedné předem vybrané paměťové buňky je přivedeno napětí okolo 12 V, které je o 7 V vyšší než napětí běžně používané ke čtení [9]. Takovouto pojistkou začne protékat elektrický proud o přibližné hodnotě 12 ma, což za časový úsek blízký 1 ms způsobí její přetavení [7]. K tomuto úkonu slouží jednoúčelové zařízení zvané programátor (viz obrázek 4.1). Stejně jako u čipů typu ROM lze paměťové buňky PROM realizovat více způsoby [10] Realizace PROM pomocí polovodičové diody Buňky prvních uživatelem programovatelných pamětí jsou velice podobné struktuře původních čipů ROM (viz obrázek 5.4). Z obrázku 5.10 je patrné, že kromě diody se v takovéto buňce vyskytuje ještě tavná (přepalovací) pojistka. Ta je nejčastěji vyráběna ze slitiny niklu a chromu (NiCr) v poměru 4:1 [7]. Levá část obrázku představuje tuto pojistku v přetaveném stavu. 24

31 Obrázek 5.10: Realizace paměťové buňky PROM pomocí diody Ať už paměťová buňka představuje jakoukoli logickou hodnotu, je její struktura v obou případech stejná 1. Adresový a datový vodič jsou propojeny prostřednictvím sériově (za sebou) zapojené diody a tavné pojistky. Pokud je čtena buňka, jež reprezentuje hodnotu bitu 0, je nejprve na příslušný adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která přejde přes diodu k přepálené pojistce. Ta ve svém stavu není schopna propouštět elektrický proud, čímž znemožňuje přenos signálu na datový vodič. Při čtení hodnoty bitu 1 se signál z adresového vodiče dostane přes diodu i nepřepálenou pojistku na vodič adresový, na jehož konci je vyhodnocen jako hodnota logická 1, která se po zesílení operačním zesilovačem vloží do výstupního registru. Stejně jako v případě paměťové buňky ROM má i zde polovodičová dioda za úkol propouštět elektrický proud pouze z adresového vodiče na datový. Také platí, že datové vodiče jsou nabíjeny pouze proudem z vodičů adresových. V případě zapojení buňky pomocí polovodičové diody obsahuje paměť po výrobě samé hodnoty 1, protože žádná tavná pojistka není přepálena. Zapsání hodnoty bitu 0 se provádí současným přivedením elektrického proudu o vyšší hodnotě na adresový i datový vodič [7] Realizace PROM pomocí tranzistoru Paměťovou buňku PROM lze také realizovat prostřednictvím bipolárního tranzistoru TTL (viz obrázek 5.11). Unipolární tranzistory MOS se pro tuto funkci nehodí, jelikož jimi prochází jen asi 50 μa [7], což není dostatečně velký elektrický proud pro přetavení pojistky při zápisu do buňky. Použitý tranzistor TTL (NPN) má svou bázi vždy připojenu k adresovému vodiči a emitor přes tavnou pojistku k datovému vodiči. Kolektor je napojen na zdroj napájení. V případě, že dochází ke čtení z této paměti, je kolektor napájen z vývodu, který se označuje Vdd. Při zápisu je vyšší napětí přiváděno z vývodu označovaného jako Vpp [6]. 1 Toto tvrzení je platné pro všechny druhy realizace paměťových buněk typu PROM. 25

32 Obrázek 5.11: Realizace paměťové buňky PROM pomocí bipolárního tranzistoru typu NPN Při čtení buňky reprezentující bit 0 je dekodérem na příslušný adresový vodič umístěna hodnota logická 1, která přejde na bázi tranzistoru a způsobí jeho sepnutí. V tom okamžiku začne elektrický proud proudit z kolektoru do emitoru, kde však narazí na přetavenou pojistku. Pokud je čtena buňka uchovávající hodnotu bitu 1, probíhá proces stejně jako v minulém případě s tím rozdílem, že proud procházející z kolektoru do emitoru prochází přes nepoškozenou pojistku až k datovému vodiči, což se ve výstupním registru projeví jako hodnota logická 1. Čtení probíhá pod napětím okolo 5 V [9]. Zmíněná přepalovací pojistka není při této činnosti nijak poškozena, takže hodnota paměťové buňky se žádným způsobem nezmění. Zápis hodnoty logická 0 se provádí přivedením vyššího napětí z vývodu Vpp na kolektor ve chvíli, kdy je tranzistor sepnutý (po přivedení hodnoty logická 1 na adresový vodič) [17]. Kromě obyčejných tranzistorů TTL se k realizaci paměťových matic PROM často používají takzvané multiemitorové tranzistory (tranzistory s více emitory) [7]. Ukázku takového zapojení ilustruje obrázek Počet řádků a sloupců matice je roven počtu adresových vodičů a emitorů každého tranzistoru. V příkladu na obrázku 5.12 se jedná o zapojení dvou adresových vodičů na čtyřemitorové tranzistory. Kapacita této paměti je tedy 8 (2 4) b, což je také patrné z použití osmi tavných pojistek. Lze také zpozorovat čtyři obyčejné bipolární tranzistory, které plní funkci invertoru 1. 1 Invertor je zařízení, které provádí boolovskou operaci zvanou negace. Pokud je na vstup přivedena hodnota logická 1, je výstupem hodnota logická 0 (a naopak). 26

33 Obrázek 5.12: Ukázka realizace (nenaprogramované) matice paměti PROM pomocí multiemitorových tranzistorů Při čtení je na dekodérem vybraný adresový vodič přivedena hodnota logická 1. Ta se dostane až na bázi multiemitorového tranzistoru, což způsobí jeho sepnutí. Proud z vývodu Vdd začne proudit z kolektoru do všech čtyř emitorů, za kterými už jsou přepalovací pojistky. Pokud je pojistka v průchozím stavu, šíří se elektrický proud dál na datový vodič. Odtud je přiveden k bázi obyčejného bipolárního tranzistoru, jehož zapojení funguje jako invertor. Po sepnutí je (vývodem Vdd) napájená část datového vodiče uzemněna, neboť emitor je připojen k zemi (Gnd). Elektrický proud se již dále nešíří a ve výstupním registru příslušného datového vodiče se nachází hodnota bitu 0, jež je reprezentována zmíněnou tavnou pojistkou v průchozím stavu. Pokud by byla pojistka přepálena, nedošlo by k sepnutí tranzistoru invertoru a na výstupu by byla obdržena hodnota bitu 1. Z výše uvedeného je patrné, že z důvodu použití invertorů jsou po výrobě takovýchto čipů paměťové buňky nastaveny na samé logické nuly. Prostřednictvím programátoru PROM jsou tedy zapisovány logické jedničky. 5.4 EPROM Paměti typu EPROM jsou realizovány pomocí speciálních unipolárních tranzistorů 1, které mají schopnost v sobě (přesněji na svém přechodu) uchovávat elektrický náboj [2], [6], 1 Jedná se o tranzistory s takzvaným plovoucím hradlem (anglicky floating gate), které se nachází mezi řídící elektrodou gate a elektrodami drain a source [6]. Toto plovoucí hradlo je však od zmíněných elektrod odděleno izolantem (nejčastěji SiO 2) [2]. 27

34 [7]. Jeden takovýto tranzistor (označovaný jako FAMOST) představuje paměťovou buňku EPROM (viz obrázek 5.13). Jeho řídící elektroda gate je připojena k adresovému vodiči [31]. Elektroda source je spojena s uzemněním a drain s datovým vodičem, jenž je napájen z vývodu Vdd (případně Vpp) paměťového pouzdra. Obrázek 5.13: Paměťová buňka EPROM s unipolárním tranzistorem s plovoucím hradlem Při zápisu hodnoty bitu 1 je na vybraný adresový vodič umístěno napětí, což umožní průchod elektrického proudu z elektrody drain přes plovoucí hradlo a source do uzemnění (vývod Gnd), přičemž z vývodu Vpp je přiváděno programovací napětí o velikosti okolo V [6], [31]. Po určitém časovém intervalu (typicky 50 ms) tím dojde k nabití plovoucího hradla elektrony, které po konci působení zmíněného napětí nemají dostatek energie k tomu, aby mohly izolované plovoucí hradlo opustit. Uložené elektrony, jež reprezentují hodnotu logická 1 a jsou schopny na svém místě setrvat desítky let, znemožňují funkci tranzistoru jako spínače. Je-li třeba z paměťové buňky přečíst uchovávanou informaci, je na adresový vodič umístěna hodnota logická 1. Jelikož je v případě EPROM řídící elektroda tranzistoru vždy připojena na adresový vodič, dostane se tento signál (na rozdíl od ROM) do paměťové buňky při čtení jakékoliv logické hodnoty. Pokud plovoucí hradlo obsahuje elektrony, nemůže být příslušný tranzistor sepnut (má vysoké prahové napětí). Napětí, které je z vývodu zvaného Vdd přiváděno na datový vodič, reprezentuje na jeho konci hodnotu logická 1. V opačném případě, kdy absence elektronů v plovoucím hradle umožní sepnutí daného tranzistoru, dojde přes elektrody drain a source k uzemnění napájeného datového vodiče, jenž v takovémto stavu reprezentuje přečtenou hodnotu bitu 0. K vymazání naprogramované paměťové buňky je nutné z plovoucího hradla odstranit vložené elektrony. Toho se docílí ozářením čipu vysokoenergetickým ultrafialovým světlem, které tyto elektrony absorbují, v důsledku čehož získávají energii k úniku přes nevodivý materiál, jímž jsou obklopeny [6]. Takto ozářená paměť obsahuje pouze logické nuly. Jelikož ultrafialové záření neprostupuje přes obyčejná paměťová 28

35 pouzdra, jsou jádra čipů typu EPROM vkládána do pouzder DIP s křemíkovým okénkem, jehož přítomnost mírně zvyšuje výrobní náklady [9]. 5.5 EEPROM Obrázek 5.14: Paměťový čip EPROM v pouzdře typu DIP s křemíkovým okénkem pro vymazání uložených dat [9] Nutnost manipulace se zdrojem ultrafialového záření byla eliminována díky čipům EEPROM, které umožňují provést vymazání dat elektrickou cestou. Tyto paměti se nejčastěji realizují pomocí unipolárních tranzistorů vyrobených technologií MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor) [7]. Také ony jsou schopny na svém přechodu uchovávat informaci prostřednictvím vkládání 1 elektrického náboje. Z obrázku 5.15 je patrné, že řídící elektroda gate je (stejně jako v případě realizace EPROM) spojena s adresovým vodičem. Elektroda drain je připojena ke zdroji napájení a source k datovému vodiči. Obrázek 5.15: Paměťová buňka EEPROM s unipolárním tranzistorem s plovoucím hradlem 1 Proces vkládání elektrického náboje se v odborné literatuře označuje termínem tunelování (počeštěno z anglického výrazu tunneling). 29

36 Pro zápis hodnoty bitu 1 do nenaprogramované paměťové buňky je potřeba na vybraný adresový vodič umístit hodnotu logická 1. Ta je v tomto případě symbolizována záporným napětím, které se dostane na řídící elektrodu gate. V případě, že je uzemněn datový vodič, dochází ke zmíněnému procesu vkládání (tunelování) elektrického náboje na přechod tohoto tranzistoru MNOS 1. Pokud ovšem příslušný datový vodič uzemněn není, nezmění se stav paměťové buňky, v níž bude i nadále uložena původní hodnota bitu 0. Naprogramovaný tranzistor s vloženým nábojem má vyšší prahové napětí potřebné k jeho sepnutí. Při čtení paměťové buňky je na adresový vodič umístěn krátký záporný impuls, který je dostačující k tomu, aby sepnul tranzistor s nižším prahovým napětím a tranzistor s vyšším prahovým napětím nechal uzavřený. V případě čtení nenaprogramované buňky (bez náboje) dojde k sepnutí tranzistoru. Z napájecího vodiče označeného Vdd začne proudit elektrický proud do datového vodiče. Mezi nimi se v tuto chvíli bude nalézat téměř nulový rozdíl potenciálů (nulové napětí), neboť jsou propojeny přes sepnutý tranzistor. Takovýto stav reprezentuje přečtenou hodnotu bitu 0. Je-li čtena buňka s vloženým nábojem, nedojde k sepnutí tranzistoru a následnému vyrovnání potenciálů mezi napájecím a datovým vodičem. To má za důsledek nenulové napětí mezi těmito vodiči, což je vyhodnoceno jako hodnota bitu 1. Matici paměťových buněk EEPROM je také možné implementovat odlišným způsobem [7]. Pokud se při čtení nevyhodnocuje napětí mezi napájecím a datovým vodičem, ale detekuje se přítomnost elektrického proudu na datovém vodiči, pak tranzistor s vloženým elektrickým nábojem reprezentuje hodnotu bitu 0. Jelikož nedojde k jeho sepnutí, nedostane se elektrický proud na datový vodič. V případě absence náboje v plovoucím hradle tranzistor při čtení sepne a proud se dostane na datový vodič, čímž dojde k přečtení hodnoty bitu 1. K vymazání naprogramované paměťové buňky je nutné z plovoucího hradla odstranit vložený elektrický náboj bránící sepnutí tranzistoru. Toho se docílí umístěním kladného napětí na adresový vodič. Všechny buňky připojené k takovému vodiči budou znovu připraveny pro případné další naprogramování. Na rozdíl od čipů EPROM je možné v tomto případě vymazat pouze vybrané řádky (případně jeden vybraný řádek) paměťové matice. 5.6 Flash Flash paměti není potřeba před naprogramováním (vymazáním) vyjmout z desky plošného spoje a umístit do speciálního programovacího zařízení, což již bylo rozvedeno v kapitole Princip zapojení paměťových buněk je v podstatě stejný jako u čipů EEPROM [6]. 1 Proces vkládání elektrického náboje trvá (stejně jako v případě EPROM) asi 50 ms [6], což je poměrně dlouhý časový interval, který zpomaluje proces zápisu do těchto pamětí. 30

37 Zásadní rozdíl ve struktuře paměťových buněk spočívá v tom, že některé flash paměti jsou implementovány pomocí tranzistorů, které jsou schopny na svém přechodu uchovávat různé množství elektrického náboje (opět v řádech několika desítek let). Klasické tranzistory MNOS se využívají k realizaci buněk typu SLC (Single-Level Cell jednoúrovňová buňka), jejichž stav vždy reprezentuje jednu ze dvou logických hodnot (0 a 1) [25], [26]. Novější technologie MLC a TLC jsou využívány pro realizaci pamětí typu NAND flash. Buňka typu MLC nabývá čtyř (dvoubitových) stavů, kterými jsou 00, 01, 10 a 11. U TLC je takovýchto stavů celkem osm (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 a 111), z nichž každý reprezentuje tříbitovou informaci. Technologie MLC a TLC umožňují hustší integraci informací při zachování stejného počtu buněk a stejné velikosti paměťového čipu. Nevýhodou je však fakt, že snesou méně cyklů programování než SLC [26]. Z tohoto důvodu se příliš nehodí pro zálohování důležitých dat, která se často modifikují, neboť spolehlivost záznamu dat po jeho mnoha (stovky až tisíce) změnách značně klesá. Dalším negativem je zvýšení doby potřebné pro zápis. 5.7 DRAM Paměťová buňka dynamické paměti (DRAM) je dnes nejčastěji tvořena jedním tranzistorem MOS a jedním kondenzátorem [20]. V souvislosti s tím se o DRAM mluví jako o jednotranzistorových pamětech, které se označují 1T [6], [9], [27]. Zapojení zmíněných součástí znázorňuje obrázek Obrázek 5.16: Jednotranzistorová paměťová buňka DRAM Prvním krokem při zápisu do této paměťové buňky je opět umístění hodnoty logická 1 na adresový vodič dekodérem vybraného řádku, což zapříčiní otevření připojeného tranzistoru MOS. Hodnota logická 1 je také přivedena na příslušný datový vodič. Díky těmto signálům začne přes tranzistor proudit elektrický proud, který nabije 31

38 kondenzátor připojený k uzemnění. Přítomnost tohoto náboje symbolizuje uloženou hodnotu bitu 1. Čtení probíhá prostřednictvím přivedení hodnoty logická 1 na adresový vodič, nikoliv však na vodič datový. Pokud paměťová buňka uchovává v kondenzátoru náboj, dojde po sepnutí tranzistoru k jeho vybití na datový vodič, jehož nabitím došlo k přečtení bitu o hodnotě 1. V případě čtení bitu 0 nemůže z vybitého kondenzátoru na datový vodič přejít žádný náboj, což je vyhodnoceno jako přečtení logické nuly. Mazání dat je prakticky ekvivalentní procesu čtení. Hodnota logická 1 na adresovém vodiči otevře tranzistor, přes který se z kondenzátoru vybije případný náboj. Z tohoto vyplývá fakt, že při obou operacích dojde k vynulování uložené informace. Tato skutečnost je příčinou vlastnosti zvané destruktivnost při čtení, jež je řešena následujícím způsobem. Po nabití datového vodiče kondenzátorem (případ čtení hodnoty bitu 1) je hodnota logická 1 na tomto vodiči zesílena operačním zesilovačem. Poté však není zaslána pouze do výstupního registru, ale zároveň také zpět k paměťové buňce, jejíž kondenzátor se tímto opět vrátí do nabitého stavu. To vše je podmíněno předpokladem, že tranzistor této buňky je po celou dobu (od počátku čtení po dokončení obnovení náboje) v průchozím stavu. Po každém čtení tedy automaticky následuje zmíněná operace eliminující důsledky ztráty elektrického náboje ze čteného kondenzátoru. Druhým neduhem DRAM je samovolné vybíjení všech kondenzátorů i ve chvíli, kdy je čip připojen ke zdroji napájení. To je důvod, proč se těmto pamětem říká dynamické. Řešení takovéto situace spočívá v periodickém obnovování všech řádků (každého zvlášť). Postupně se na jednotlivé řádky paměti přivádí hodnota logická 1, což způsobí jejich čtení, po kterém vždy automaticky následuje znovuuložení dat ve formě elektrického náboje. Jedna buňka paměti typu DRAM může být také tvořena jedním kondenzátorem a třemi tranzistory [7], [27]. Jedná se o technologii označovanou jako 3T. Z obrázku 5.17 je patrné, že takovéto zapojení vyžaduje dva datové vodiče jeden čtecí a druhý záznamový. Při záznamu dat je na adresový vodič přivedeno vyšší záporné napětí, než které se používá při čtení. To způsobí sepnutí tranzistoru T3 a kondenzátor se přes něj začne nabíjet díky potenciálu na záznamovém vodiči 1. Získaný náboj reprezentuje (stejně jako u jednotranzistorových buněk) hodnotu bitu 1. Otevření tranzistoru T2 nemá v případě zápisu dat žádný význam. Přečtení dat umožňuje umístění nižšího záporného napětí na adresový vodič. Jelikož tranzistor T3 má od výroby vyšší prahové napětí, nedojde k jeho sepnutí. Otevřen bude naopak tranzistor T2, jehož prahové napětí je menší. Pokud je kondenzátor nabit, je 1 Pokud se do buňky zapisuje hodnota bitu 0, pak na záznamový vodič potenciál přiváděn není. To způsobí vybití (nenabití) kondenzátoru přes otevřený tranzistor T3. 32

39 průchozí také tranzistor T1. V takovém případě se čtecí vodič, který má záporný potenciál, přes tranzistory T2 a T1 vybije, což ve výsledku reprezentuje přečtenou hodnotu bitu 1. Je-li kondenzátor bez elektrického náboje, je tranzistor T1 uzavřený a nemůže přes něj procházet proud. Z tohoto důvodu si čtecí vodič zachová svůj záporný potenciál, neboť nebude uzemněn přes tranzistor T1. Tato situace představuje přečtenou hodnotu bitu 0. Obrázek 5.17: Dynamická paměťová buňka se třemi tranzistory MOS Umísťování různého napětí na adresový vodič se lze vyhnout použitím samostatného adresového vodiče pro zápis (připojen pouze k tranzistoru T3) a adresového vodiče pro čtení (připojen pouze k tranzistoru T2). Zmíněné řešení však dělá 3T paměťové buňky ještě náročnějšími na plochu jádra čipu. Výhoda této realizace DRAM spočívá v tom, že nedochází k úniku náboje z kondenzátoru ve chvíli, kdy je prováděno čtení. Adresování jednotlivých buněk DRAM probíhá (na rozdíl od předchozích pamětí) složitějším způsobem, neboť typicky dochází k výběru jedné buňky (nikoliv pouze řádku) [6], [12], [13]. Vybírán je vždy jeden řádek a jeden sloupec. Jelikož dynamické paměti dosahují díky své jednoduché struktuře velkých kapacit, bylo by prostorově náročné mít v pouzdře čipu vývody pro každou část adresy zvlášť a přistupuje se k mechanismu, který umožňuje přenášet adresu řádku i adresu sloupce po jedné sdílené sběrnici (viz obrázek 5.18). 33

40 Obrázek 5.18: Obecné schema dekodéru DRAM Při výběru jedné buňky je nejdříve na adresové vývody paměťového pouzdra přivedena adresa řádku. Následně dojde k jejímu potvrzení prostřednictvím signálu RAS 1 (Row Array/Access Strobe snímací impuls pro přístup k řádku) a dekodér adresy ji předá dekodéru řádku. Poté je na adresovou sběrnici přivedena adresa sloupce, jež je potvrzena signálem CAS (Column Array/Access Strobe snímací impuls pro přístup ke sloupci). Po předání druhé části adresy dekodéru sloupce je časový multiplex dokončen a dochází k výběru adresované paměťové buňky, se kterou je dále operováno výše popsanými způsoby. Tento algoritmus předávání adres může obsahovat různé modifikace, což má za následek zefektivnění komunikace mezi procesorem a čipem DRAM. Na strukturu dynamické paměti to ovšem nemá žádný vliv, jelikož se jedná pouze o odlišné komunikační protokoly s okolními součástmi počítače. 5.8 SRAM Statické paměti (SRAM) jsou oproti DRAM konstrukčně mnohem složitější, což je na první pohled patrné při porovnání obrázků 5.16 a K uložení jednoho bitu slouží bistabilní klopný obvod, jenž se v době, kdy je připojen ke zdroji napájení, nalézá v jednom ze dvou rozlišitelných stavů, z nichž jeden reprezentuje logickou jedničku a druhý logickou nulu. Implementace jedné paměťové buňky vyžaduje obvykle šest tranzistorů vyrobených technologií MOS [2], [6], [7], [27]. Z tohoto počtu se odvíjí označení 6T, které se někdy pro statické paměti používá. Ke každé buňce s bistabilním klopným obvodem náleží dva datové vodiče (na obrázku 5.19 značeno jako Datový vodič a Datový vodič). Negace v názvu vodiče vpravo vyjadřuje skutečnost, že je na něm při zápisu a po čtení opačná logická hodnota, než která je na datovém vodiči bez negace [27]. Tranzistory T1 a T2 povolují čtení z (zápis do) paměťové buňky. T3 a T4 tvoří jádro bistabilního klopného obvodu. T5 a T6 jsou 1 Negace názvu tohoto signálu značí, že je aktivní při nulové napěťové úrovni na odpovídajícím vývodu paměťového čipu. 34

41 zapojeny tak, že se chovají jako odpory. Jejich elektrody gate a drain jsou připojeny ke zdroji napájení, takže přes tyto tranzistory prochází elektrický proud do zbylé části paměťové buňky. Obrázek 5.19: Schema paměťové buňky SRAM realizované šesti tranzistory MOS Při zápisu je na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, čímž dojde k sepnutí tranzistorů T1 a T2. Klíčové je však v tomto případě otevření spínače T1. Pokud má být zaznamenána hodnota bitu 1, je na datový vodič přivedena vyšší napěťová úroveň, která se přes otevřený tranzistor T1 dostane až k tranzistoru T4 a ten uvede v sepnutý stav. Na datovém vodiči je při zápisu logické jedničky nižší napěťová úroveň. Přes T4 je v této situaci proud z tranzistoru T6 veden na uzemnění. I po uzavření spínače T1 je tranzistor T4 udržován v otevřeném stavu díky napájení vedoucímu z emitoru tranzistoru T5. Ve výsledku je tedy tranzistor T4 sepnutý (je na něm prakticky nulové napětí) a T3 otevřený (vyskytuje se na něm hodnota logická 1 reprezentovaná vyšší úrovní napětí) 1. Tento stav představuje uloženou hodnotu bitu 1. Je-li potřeba z paměťové buňky tuto uloženou informaci přečíst, je na oba datové vodiče přivedena hodnota logická 1, která je poté umístěna také na adresový vodič [27]. To zapříčiní otevření tranzistorů T1 a T2. Elektrický proud z datového vodiče je přes otevřené spínače T2 a T4 veden na uzemnění a za paměťovou buňku se již dále nešíří. Oproti tomu datový vodič uzemněn není a hodnota logická 1 se dostane až na jeho konec. 1 Uzavřený tranzistor T3 drží tranzistor T4 otevřený, což platí také v opačném případě. 35

42 V případě změny dat (z 1 na 0) je po umístění hodnoty logická 0 na datový vodič a logická 1 na datový vodič aktivován vodič adresový, v důsledku čehož opět dojde k otevření tranzistorů T1 a T2 [27]. Nízká úroveň napětí z datového vodiče způsobí uzavření tranzistoru T4, zatímco napětí přiváděné z datového vodiče otevře tranzistor T3. Tím dochází k osově otočené situaci případu, kdy paměťová buňka uchovávala prostřednictvím svého bistabilního klopného obvodu hodnotu bitu 1. Takto uložená logická nula se čte stejným postupem jako logická jednička. Rozdíl je ovšem v tom, že tentokrát bude uzemněn datový vodič. Paměťovou buňku SRAM lze také realizovat pomocí čtyř tranzistorů a dvou rezistorů, jež nahrazují tranzistory T5 a T6 (viz obrázek 5.20). Princip činnosti takovéhoto bistabilního klopného obvodu je stejný jako v případě šestitranzistorové buňky. Obrázek 5.20: Schema čtyřtranzistorové buňky SRAM označované jako 4T 36

43 6 Paměťové moduly Dynamické operační paměti se do prvních počítačů osazovaly v pouzdrech typu DIP (viz obrázek 2.11) přímo do patic základních desek [11]. V případě poruchy bylo možné libovolný čip vyměnit, což s sebou však neslo riziko ohnutí nebo ulomení nějakého vývodu čipu DRAM. Tato nevýhoda byla eliminována zavedením tzv. paměťových modulů. Jejich výhodou není pouze snadnější a rychlejší výměna, ale také šetří místo na základní desce. Paměťový modul je deska plošného spoje s napevno 1 připájenými čipy DRAM v pouzdrech DIP. Procesor s nimi pracuje jako s jedním paměťovým obvodem. Je-li tedy modulu zaslána například adresa, z níž se má realizovat čtení, je ve stejný okamžik přivedena na vstup všem osazeným čipům, které následně odevzdají odpovídající data na výstupní kontakty daného modulu [12]. Počet čipů na desce modulu se nejčastěji pohybuje v násobcích čísla osm. U dražších pamětí se ke každé takové osmici přidává jeden čip navíc. V něm jsou uloženy paritní bity. Aby osazení modulu s paritou mělo význam, musí ho podporovat i čipová sada základní desky [9]. Další možnost zabezpečení přenášených dat představuje ECC SIMM a SIPP Paměťové moduly mají na jedné ze svých delších stran umístěny vodivé kontakty. Nejméně (30, případně 72) jich měly operační paměti zvané SIMM (Single In-line Memory Module jednořadý paměťový modul), které měly jednu řadu kontaktů a čipy DRAM pouze na jedné straně plošného spoje [20], [22], [32]. Dnes jsou téměř minulostí. Obrázek 6.1: Paměťový modul typu SIMM s 30 (nahoře) a 72 (dole) kontakty [32] 1 Při poruše jednoho čipu na paměťovém modulu ho není možné vyjmout a vyměnit. Je potřeba nahradit celý modul, což je nevýhoda oproti osazování čipů DRAM přímo do základní desky počítače [9]. 2 ECC (Error Correction Code kód opravující chybu) dokáže opravit jednobitovou chybu [12]. Dvoubitovou chybu dokáže pouze detekovat. 37

44 Jak napovídá obrázek 6.1, SIMM s 30 kontakty měly menší kapacitu (256 kb, 1 MB a 4MB), zatímco SIMM s 72 kontakty byly objemnější (4 MB, 8 MB, 16 MB a 32 MB) [22]. Z pohledu parametrů byly paměti SIPP 1 (Single In-line Pin Package jednořadé vývodové pouzdro) úplně stejné. Lišily se pouze v realizaci vývodů, které měly špičatý tvar, což znázorňuje obrázek 6.2. Nevýhoda tohoto typu modulů spočívala v nebezpečí jednoduchého ohnutí komunikačních kontaktů při výměně a jiné manipulaci [11]. 6.2 DIMM Obrázek 6.2: Paměťový modul typu SIPP s 30 vývody [32] Dnes používané paměťové moduly se nazývají DIMM (Dual In-Line Memory Module). Mají dvě řady kontaktů (na každé straně desky plošného spoje jeden) a čipy DRAM se osazují z obou stran [20]. Kromě nich si lze na obrázku 6.3 také všimnout přítomnosti paměťového obvodu EEPROM, který slouží pro uchovávání informací o typu modulu a jeho nastavení [12]. DIMM se vyrábí (případně vyráběly) ve variantách se 168, 184 a 240 vývody s kapacitami od 16 MB do 4 GB [22], [32]. Obrázek 6.3: Paměťový modul typu DIMM se 168 kontakty a čipem EEPROM [32] Ačkoliv si jsou všechny DIMM navzájem velice podobné, v použitých technologiích se mohou značně lišit [12]. První moduly tohoto typu se 168 vývody na sobě měly připevněny čipy FPM (Fast Page Mode) DRAM a EDO (Extended Data Out/Output) DRAM. Ty oproti standardním DRAM umožňovaly rychlejší přístup k datům v rámci jednoho řádku paměťové matice 1 Paměťový modul SIPP bývá někdy odbornou počítačovou literaturou označován jako SIP (Single In-line Package) [6], [12]. 38