Μνήμη και Προγραμματίσιμη Λογική

Transcript

1 Μνήμη και Προγραμματίσιμη Λογική Η μονάδα μνήμης είναι ένα στοιχείο κυκλώματος στο οποίο μεταφέρονται ψηφιακές πληροφορίες προς αποθήκευση και από το οποίο μπορούμε να εξάγουμε αποθηκευμένες πληροφορίες Υπάρχουν δύο τύποι μνήμης μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM) μνήμη ανάγνωσης μόνο (ROM) Η RAM μπορεί να επιτελέσει τόσο τη λειτουργία της γραφής όσο και της ανάγνωσης Η ROM μπορεί να επιτελέσει μόνο τη λειτουργία της ανάγνωσης Η ROM είναι μια συσκευή προγραμματίσιμης λογικής (PLD)

2 Προγραμματίσιμη Λογική Τα PLD είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα με εσωτερικές λογικές πύλες οι οποίες είναι συνδεδεμένες με ηλεκτρονικά μονοπάτια που συμπεριφέρονται ως ηλεκτρικές ασφάλειες Ο προγραμματισμός της συσκευής έγκειται στο κατάλληλο κάψιμο των ασφαλειών ώστε να παραχθεί η επιθυμητή δομή Μια τυπική συσκευή προγραμματίσιμης λογικής μπορεί να περιέχει από εκατοντάδες μέχρι εκατομμύρια πύλες διασυνδεδεμένες με αντίστοιχο αριθμό εσωτερικών γραμμών Συσκευές προγραμματίσιμης λογικής - PLA - PAL - FPGA Αντιστοιχία συμβόλων

3 Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης Μια μονάδα μνήμης είναι ένα σύνολο από κύτταρα αποθήκευσης μαζί με τα απαραίτητα κυκλώματα για τη μεταφορά των πληροφοριών μέσα και έξω από αυτή Μια μονάδα μνήμης αποθηκεύει τις δυαδικές πληροφορίες κατά ομάδες bits οι οποίες καλούνται λέξεις (words). - Μια ομάδα των 8 bits καλείται byte. Οι περισσότερες μνήμες των υπολογιστών χρησιμοποιούν λέξεις που έχουν μήκος πολλαπλάσιο των 8bits Η χωρητικότητα της μνήμης ορίζεται συνήθως από το συνολικό αριθμό των bytes που μπορεί να αποθηκεύσει Η επικοινωνία μεταξύ της μονάδας μνήμης και του περιβάλλοντος της επιτυγχάνεται με γραμμές εισόδου και εξόδου δεδομένων, γραμμές επιλογής διεύθυνσης και γραμμές ελέγχου που καθορίζουν τη διεύθυνση μεταφοράς

4 Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης Η μονάδα μνήμης ορίζεται από τον αριθμό των λέξεων που περιέχει και τον αριθμό των bits σε κάθε λέξη Η επιλογή μιας συγκεκριμένης λέξης μέσα στη μνήμη γίνεται όταν εφαρμόσουμε τη διεύθυνση των k bits στις γραμμές διεύθυνσης Συνήθως αναφερόμαστε στον αριθμό των λέξεων (ή bytes) στη μνήμη με ένα από τα γράμματα K (=2 10 ), M(=2 20 ) και G(=2 30 )

5 Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης Μνήμη χωρητικότητας 1Κ λέξεων των 16 bits

6 Λειτουργίες Γραφής και Ανάγνωσης Εγγραφή στη μνήμη Εφαρμογή της δυαδικής διεύθυνσης της επιθυμητής λέξης στις γραμμές διεύθυνσης Εφαρμογή των bits δεδομένων προς αποθήκευση στις γραμμές εισόδου δεδομένων Ενεργοποίηση της εισόδου ελέγχου γραφής Ανάγνωση από τη μνήμη - Εφαρμογή της δυαδικής διεύθυνσης της επιθυμητής λέξης στις γραμμές διεύθυνσης - Ενεργοποίηση της εισόδου ελέγχου ανάγνωσης Τα περιεχόμενα της επιλέξιμης λέξης δεν αλλάζουν μετά από την ανάγνωση Η επίτρεψη μνήμης (chip select) χρησιμοποιείται για να ενεργοποιήσει το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα (ΟΚ) μνήμης σε μια υλοποίηση μεγαλύτερης μονάδας μνήμης με πολλαπλά ΟΚ.

7 Κυματομορφές Χρονισμού Η λειτουργία της μονάδας μνήμης ελέγχεται από μια εξωτερική συσκευή, όπως μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) Η μνήμη δεν χρησιμοποιεί εσωτερικό ρολόι. Οι λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής προσδιορίζονται από τις εισόδους ελέγχου. Η CPU πρέπει να δίνει στη μνήμη σήματα ελέγχου με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να συγχρονίζει τις εσωτερικές της λειτουργίες που ελέγχονται από το ρολόι της με τις λειτουργίες ανάγνωσης και γραφής της μνήμης Ο χρόνος προσπέλασης (χρόνος ανάγνωσης) και ο χρόνος κύκλου (χρόνος εγγραφής) της μνήμης πρέπει να είναι μικρότεροι από έναν συγκεκριμένο σταθερό αριθμό κύκλων του ρολογιού της CPU

8 Χρόνος προσπέλασης και ανάγνωσης μικρότερος των 50ns Κυματομορφές Χρονισμού

9 Τύποι Μνημών Στατική RAM (SRAM): αποτελείται ουσιαστικά από εσωτερικούς μανδαλωτές οι οποίοι αποθηκεύουν τις δυαδικές πληροφορίες Οι αποθηκευμένες πληροφορίες παραμένουν έγκυρες όσο παρέχεται ισχύς στη μονάδα Δυναμική RAM (DRAM): αποθηκεύει τις δυαδικές πληροφορίες με τη μορφή ηλεκτρικών φορτίων σε πυκνωτές (πύλες των τρανζίστορ). Οι πυκνωτές τείνουν να αποφορτίζονται με το χρόνο και πρέπει να επαναφορτίζονται περιοδικά (refreshing) Η ανανέωση γίνεται με την επανεγγραφή των αποθηκευμένων λέξεων κάθε λίγα msec Η DRAM προσφέρει μειωμένη κατανάλωση ισχύος και μεγαλύτερη χωρητικότητα ανά ΟΚ Η SRAM είναι ευκολότερη στη χρήση και ταχύτερη Μη πτητικές μνήμες: ROM, μαγνητικός δίσκος

10 7.3 Αποκωδικοποίηση Μνήμης Εκτός από τα στοιχεία του κυκλώματος αποθήκευσης, σε μια μονάδα μνήμης υπάρχει επίσης ανάγκη για κυκλώματα αποκωδικοποίησης της διεύθυνσης Εσωτερική δομή Μια RAM με m λέξεις των n bits η κάθε μια περιέχει mxn κύτταρα δυαδικής αποθήκευσης. Ισοδύναμο κύκλωμα κυττάρου μνήμης Ένα κύτταρο μνήμης πρέπει να είναι όσο το δυνατό μικρότερο σε μέγεθος

11 Λογική Οργάνωση Μνήμης 4x3

12 Ταυτόχρονη Αποκωδικοποίηση Επιλέγεται για μείωση του υλικού του αποκωδικοποιητή

13 Πολύπλεξη Διεύθυνσης

14 Μνήμη Ανάγνωσης Μόνο (ROM) Η ROM είναι μια συσκευή μνήμης στην οποία αποθηκεύονται μόνιμα δυαδικές πληροφορίες Η ROM είναι μια διάταξη που περιλαμβάνει έναν αποκωδικοποιητή και πύλες OR Οι συνδέσεις μεταξύ των εξόδων του αποκωδικοποιητή και των εισόδων των OR καθορίζονται με τον προγραμματισμό (κάψιμο συνδέσεων) Η ROM χρησιμοποιείται συχνά για υλοποίηση πολύπλοκων συνδυαστικών κυκλωμάτων σε ένα τσιπ Σχηματικό διάγραμμα μιας ROM

15 Μνήμη ROM Λογικό διάγραμμα εσωτερικού κυκλώματος ROM 2 5 x8

16 Μνήμη ROM Πίνακας αλήθειας ROM (μερικός) Είσοδοι Ι4 Ι3 Ι2 Ι1 Ι Έξοδοι Α7 Α6 Α5 Α4 Α3 Α2 Α1 Α

17 Μνήμη ROM Προγραμματισμός της ROM σύμφωνα με τον πίνακα αλήθειας

18 Υλοποίηση Κυκλώματος με Χρήση ROM Σχεδιάστε συνδυαστικό κύκλωμα που παράγει το τετράγωνο τριψήφιου αριθμού Πίνακας αλήθειας Είσοδοι Α2 Α1 Α Έξοδοι Β5 Β4 Β3 Β2 Β1 Β

19 Υλοποίηση Κυκλώματος με Χρήση ROM

20 Τύποι ROM Προγραμματισμός με χρήση μασκών Προγραμματιζόμενη ROM (PROM) Διαγράψιμη PROM (EPROM) Ηλεκτρικά διαγράψιμη PROM (EEPROM)

21 Συνδυαστικές PLD

22 PLA (Programmable Logic Array) F1=AB +AC+A BC F2=(AC+BC)

23 PAL (Programmable Array Logic)

24 Ακολουθιακές PLD