Giáo trình Kỹ thuật số - Chương 7: Bộ nhớ bán dẫn

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật số - Chương 7: Bộ nhớ bán dẫn

1. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 2 7.1 Thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ Để tìm hiểu cấu tạo, hoạt động của bộ nhớ chúng ta bắt đầu với một số thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ - Tế bào nhớ: là linh kiện hay một mạch điện tử dùng để lưu trữ một bit đơn (0 hay 1). Thí dụ của một tế bào nhớ bao gồm: mạch FF, tụ được tích điện, một điểm trên băng từ hay đĩa từ. . . . - Từ nhớ : là một nhóm các bit (tế bào) trong bộ nhớ dùng biểu diễn các lệnh hay dữ liệu dưới dạng một số nhị phân. Thí dụ một thanh ghi 8 FF là một phần tử nhớ lưu trữ từ 8 bit. Kích thước của từ nhớ trong các máy tính hiện đại có chiều dài từ 4 đến 64 bit. - Byte : từ 8 bit, đây là kích thước thường dùng của từ nhớ trong các máy vi tính. - Dung lượng : chỉ số lượng bit có thể lưu trữ trong bộ nhớ. Thí dụ bộ nhớ có khả năng lưu trữ 4.096 từ nhớ 20 bit, dung lượng của nó là 4096 x 20, mỗi 1024 (=210) từ nhớ được gọi là “1K”, như vậy 4096 x 20 = 4K x 20. Với dung lượng lớn hơn ta dùng “1M” hay 1meg để chỉ 220 = 1.048.576 từ nhớ. - Địa chỉ : là số nhị phân dùng xác định vị trí của từ nhớ trong bộ nhớ. Mỗi từ nhớ được lưu trong bộ nhớ tại một địa chỉ duy nhất. Địa chỉ luôn luôn được biểu diễn bởi số nhị phân, tuy nhiên để thuận tiện người ta có thể dùng số hex hay thập phân, bát phân - Tác vụ đọc : (Read, còn gọi là fetch ), một từ nhớ tại một vị trí nào đó trong bộ nhớ được truy xuất và chuyển sang một thiết bị khác. - Tác vụ viết : (ghi, Write, còn gọi là store ), một từ mới được đặt vào một vị trí trong bộ nhớ, khi một từ mới được viết vào thì từ cũ mất đi. - Thời gian truy xuất (access time) : số đo tốc độ hoạt động của bộ nhớ, ký hiệu tACC Đó là thời gian cần để hoàn tất một tác vụ đọc. Chính xác đó là thời gian từ khi bộ nhớ nhận một địa chỉ mới cho tới lúc dữ liệu khả dụng ở ngã ra bộ nhớ - Bộ nhớ không vĩnh cữu (volatile) : Bộ nhớ cần nguồn điện để lưu trữ thông tin. Khi ngắt điện, thông tin lưu trữ bị mất. Hầu hết bộ nhớ bán dẫn là loại không vĩnh cữu, trong khi bộ nhớ từ là loại vĩnh cữu (nonvolatile). - Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (Random-Access Memory, RAM) : Khi cần truy xuất một địa chỉ ta tới ngay địa chỉ đó. Vậy thời gian đọc hay viết dữ liệu vào các vị trí nhớ khác nhau trong bộ nhớ không tùy thuộc vào vị trí nhớ. Nói cách khác, thời gian truy xuất như nhau đối với mọi vị trí nhớ. Hầu hết bộ nhớ bán dẫn và nhẫn từ (bộ nhớ trong của máy tính trước khi bộ nhớ bán dẫn ra đời) là loại truy xuất ngẫu nhiên. - Bộ nhớ truy xuất tuần tự (Sequential-Access Memory, SAM) : Khi cần truy xuất một địa chỉ ta phải lướt qua các địa chỉ trước nó. Như vậy thời gian đọc và viết dữ liệu ở những vị trí khác nhau thì khác nhau. Những thí dụ của bộ nhớ này là băng từ, đĩa từ. Tốc độ làm việc của loại bộ nhớ này thường chậm so với bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên. - Bộ nhớ đọc/viết (Read/Write Memory, RWM) : Bộ nhớ có thể viết vào và đọc ra. - Bộ nhớ chỉ đọc (Read-Only Memory, ROM): là bộ nhớ mà tỉ lệ tác vụ đọc trên tác vụ ghi rất lớn. Về mặt kỹ thuật, một ROM có thể được ghi chỉ một lần ở nơi sản xuất và sau đó thông tin chỉ có thể được đọc ra từ bộ nhớ. Có loại ROM có thể được ghi nhiều lần nhưng tác vụ ghi khá phức tạp hơn là tác vụ đọc. ROM thuộc loại bộ nhớ vĩnh cữu và dữ liệu được lưu giữ khi đã cắt nguồn điện. - Bộ nhớ tĩnh (Static Memory Devices) : là bộ nhớ bán dẫn trong đó dữ liệu đã lưu trữ được duy trì cho đến khi nào còn nguồn nuôi. - Bộ nhớ động (Dynamic Memory Devices) : là bộ nhớ bán dẫn trong đó dữ liệu đã lưu trữ muốn tồn tại phải được ghi lại theo chu kỳ. Tác vụ ghi lại được gọi là làm tươi (refresh). - Bộ nhớ trong (Internal Memory) : Chỉ bộ nhớ chính của máy tính. Nó lưu trữ các lệnh và dữ liệu mà CPU dùng thường xuyên khi hoạt động. ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
2. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 4 (a) (b) (c) (H 7.1) 7.2.2 Giao tiếp giữa IC nhớ và bộ xử lý trung tâm (CPU) Trong hệ thống mọi hoạt động có liên quan đến IC nhớ đều do bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit, CPU) quản lý. Giao tiếp giữa IC nhớ và CPU mô tả ở (H 7.2) (H 7.2) Một tác vụ có liên quan đến bộ nhớ được CPU thực hiện theo các bước: - Đặt địa chỉ quan hệ lên bus địa chỉ. - Đặt tín hiệu điều khiển lên bus điều khiển. - Dữ liệu khả dụng xuất hiện trên bus dữ liệu, sẵn sàng để ghi vào hoặc đọc ra. Để hoạt động của IC đồng bộ, các bước trên phải tuân thủ giản đồ thời gian của từng IC nhớ (sẽ đề cập đến khi xét các loại bộ nhớ) 7.3 Các loại bộ nhớ bán dẫn Có 3 loại bộ nhớ bán dẫn : - Bộ nhớ bán dẫn chỉ đọc : (Read Only Memory, ROM) - Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên : (Random Access Memory, RAM) Thật ra ROM và RAM đều là loại bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, nhưng RAM được giữ tên gọi này. Để phân biệt chính xác ROM và RAM ta có thể gọi ROM là bộ nhớ chết (nonvolatile, vĩnh cữu) và RAM là bộ nhớ sống (volatile, không vĩnh cữu) hoặc nếu coi ROM là bộ nhớ chỉ đọc thì RAM là bộ nhớ đọc được - viết được (Read-Write Memory) - Thiết bị logic lập trình được : (Programmable Logic Devices, PLD) có thể nói điểm khác biệt giữa PLD với ROM và RAM là qui mô tích hợp của PLD thường không lớn như ROM và RAM và các tác vụ của PLD thì có phần hạn chế. 7.3.1 ROM (Read Only Memory) Mặc dù có tên gọi như thế nhưng chúng ta phải hiểu là khi sử dụng ROM, tác vụ đọc được thực hiện rất nhiều lần so với tác vụ ghi. Thậm chí có loại ROM chỉ ghi một lần khi xuất xưởng. Các tế bào nhớ hoặc từ nhớ trong ROM sắp xếp theo dạng ma trận mà mỗi phần tử chiếm một vị trí xác định bởi một địa chỉ cụ thể và nối với ngã ra một mạch giải mã địa chỉ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
3. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 6 (H 7.4) Trong thực tế, để đơn giản cho việc thực hiện, ở mỗi vị trí nhớ người ta đều cho vào một transistor MOS. Nhưng ở những vị trí ứng với bit 1 các transistor MOS được chế tạo với lớp SiO2 dầy hơn làm tăng điện thế ngưỡng của nó lên, kết quả là transistor MOS này luôn luôn không dẫn điện (H 7.5), Các transistor khác dẫn điện bình thường. (H 7.5) 7.3.1.2 ROM lập trình được (Programmable ROM, PROM) Có cấu tạo giống MROM nhưng ở mỗi vị trí nhớ đều có linh kiện nối với cầu chì. Như vậy khi xuất xưởng các ROM này đều chứa cùng một loại bit (gọi là ROM trắng), lúc sử dụng người lập trình thay đổi các bit mong muốn bằng cách phá vỡ cầu chì ở các vị trí tương ứng với bit đó. Một khi cầu chì đã bị phá vỡ thì không thể nối lại được do đó loại ROM này cho phép lập trình một lần duy nhất để sử dụng, nếu bị lỗi không thể sửa chữa được (H 7.6). (H 7.6) Người ta có thể dùng 2 diod mắc ngược chiều nhau, mạch không dẫn điện, để tạo bit 0, khi lập trình thì một diod bị phá hỏng tạo mạch nối tắt, diod còn lại dẫn điện cho bit 1 ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
4. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 8 (H 7.9) Điểm bất tiện của U.V EPROM là cần thiết bị xóa đặc biệt phát tia U.V. và mỗi lần xóa tất cả tế bào nhớ trong một IC nhớ đều bị xóa. Như vậy người sử dụng phải nạp lại toàn bộ chương trình 7.3.1.4 ROM lập trình được và xóa được bằng xung điện (Electrically Erasable PROM, EEPROM hay Electrically Alterable PROM, EAPROM) Đây là loại ROM lập trình được và xóa được nhờ xung điện và đặc biệt là có thể xóa để sửa trên từng byte. Các tế bào nhớ EEPROM sử dụng transistor MNOS (Metal Nitride Oxide Semiconductor) có cấu tạo như (H 7.10). (H 7.10) Giữa lớp kim loại nối ra các cực và lớp SiO2 là một lớp mỏng chất Nitrua Silic (Si3N4) - từ 40nm đến 650nm - Dữ liệu được nạp bằng cách áp một điện thế dương giữa cực G và S (khoảng 20 đến 25V trong 100ms). Do sự khác biệt về độ dẫn điện, electron tích trên bề mặt giữa 2 lớp SiO2 và Si3N4 , các electron này tồn tại khi đã ngắt nguồn và làm thay đổi trạng thái dẫn điện của transistor. Bây giờ nếu áp một điện thế âm giữa cực G và S ta sẽ được một lớp điện tích trái dấu với trường hợp trước. Như vậy hai trạng thái khác nhau của Transistor có thể thiêt lập được bởi hai điện thế ngược chiều nhau và như vậy các tế bào nhớ được ghi và xóa với 2 xung điện trái dấu nhau. 7.3.1.5 FLASH ROM EPROM là loại nonvolatile, có tốc độ truy xuất nhanh (khoảng 120ns), mật độ tích hợp cao, giá thành rẻ tuy nhiên để xóa và nạp lại phải dùng thiết bị đặc biệt và lấy ra khỏi mạch. EEPROM cũng nonvolatile, cũng có tốc độ truy xuất nhanh, cho phép xóa và nạp lại ngay trong mạch trên từng byte nhưng có mật độ tích hợp thấp và giá thành cao hơn EPROM. Bộ nhớ FLASH ROM tận dụng được các ưu điểm của hai loại ROM nói trên, nghĩa là có tốc độ truy xuất nhanh, có mật độ tích hợp cao nhưng giá thành thấp. Hầu hết các FLASH ROM sử dụng cách xóa đồng thời cả khối dữ liệu nhưng rất nhanh (hàng trăm ms so với 20 min của U.V. EPROM). Những FLASH ROM thế hệ mới cho phép xóa từng sector (512 byte) thậm chí từng vị trí nhớ mà không cần lấy IC ra khỏi mạch. FLASH ROM có thời gian ghi khoảng 10μs/byte so với 100 μs đối với EPROM và 5 ms đối với EEPROM ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
5. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 10 dây nối nhiều, kết quả là độ tin cậy không cao. Như vậy, sẽ rất tiện lợi nếu các mạch này được chế tạo sẵn và người sử dụng có thể chỉ tác động vào để làm thay đổi một phần nào chức năng của mạch bằng cách lập trình. Đó là ý tưởng cơ sở cho sự ra đời của thiết bị logic lập trình được. Các thiết bị này có thể được xếp loại như bộ nhớ và gồm các loại: PROM, PAL (Programmable Array Logic) và PLA (Programmable Logic Array). Trước nhất, chúng ta xét qua một số qui ước trong cách biểu diễn các phần tử của PLD Một biến trong các hàm thường xuất hiện ở dạng nguyên và đảo của nó nên chúng ta dùng ký hiêu đệm và đảo chung trong một cổng có 2 ngã ra. Một nối chết, còn gọi là nối cứng (không thay đổi được) được vẽ bởi một chấm đậm (.) và một nối sống, còn gọi là nối mềm (dùng lập trình) bởi một dấu (x). Nối sống thực chất là một cầu chì, khi lập trình thì được phá bỏ. Một cổng nhiều ngã vào thay thế bởi một ngã vào duy nhất với nhiều mối nối (H 7.13). (H 7.13) Chúng ta chỉ lấy thí dụ với mạch tương đối đơn giản để thấy được cấu tạo của các PLD, đó là các PLD chỉ thực hiện được 4 hàm mỗi hàm gồm 4 biến, như vậy mạch gồm 4 ngã vào và 4 ngã ra. Trên thực tế số hàm và biến của một PLD rất lớn. 7.3.2.1 PROM (H 7.14 ) là cấu tạo PROM có 4 ngã vào và 4 ngã ra. Có tất cả 16 cổng AND có 4 ngã vào được nối chết với các ngã ra đảo và không đảo của các biến vào, ngã ra các cổng AND là 16 tổ hợp của 4 biến (Gọi là đường tích) Các cổng OR có 16 ngã vào được nối sống để thực hiện hàm tổng (đường tổng). Như vậy với PROM việc lập trình thực hiện ở các đường tổng. Thí dụ dùng PROM này để tạo các hàm sau: O1 = A + DB + DC O2 = DCBA + DCBA O3 = CBA O4 = BA + DC Ta phải chuẩn hóa các hàm chưa chuẩn O 1 =++++++++++DCBA DCBA DCBA DCBA DCBA DCBA DCBA DCBA DCBA DCBA DCBA O3 = CBA =DD CBA + CBA O4 = BA + DC = DCBA + DCBA + DCBA +DCBA + DCBA + DCBA + DCBA Mạch cho ở (H 7.14b) ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
6. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 12 7.3.2.3 PLA PLA có cấu tạo tương tự PROM và PAL, nhưng các ngã vào của cổng AND và cổng OR đều được nối sống (H 7.16). Như vậy khả năng lập trình của PLA bao gồm cả hai cách lập trình của 2 loại IC kể trên. (H 7.16) 7.3.3 RAM (Random Acess Memory) Có hai loại RAM : RAM tĩnh và RAM động RAM tĩnh cấu tạo bởi các tế bào nhớ là các FF, RAM động lợi dụng các điện dung ký sinh giữa các cực của transistor MOS, trạng thái tích điện hay không của tụ tương ứng với hai bit 1 và 0. Do RAM động có mật độ tích hợp cao, dung lượng bộ nhớ thường rất lớn nên để định vị các phần tử nhớ người ta dùng phương pháp đa hợp địa chỉ, mỗi từ nhớ được chọn khi có đủ hai địa chỉ hàng và cột được lần lượt tác động. Phương pháp này cho phép n đường địa chỉ truy xuất được 22n vị trí nhớ. Như vậy giản đồ thời gian của RAM động thường khác với giản đồ thời gian của RAM tĩnh và ROM. 7.3.3.1 RAM tĩnh (Static RAM, SRAM) Mỗi tế bào RAM tĩnh là một mạch FlipFlop dùng Transistor BJT hay MOS (H 7.17) ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
7. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 14 nếu tế bào nhớ đang lưu bit giống như bit muốn ghi vào thì mạch không thay đổi. Bây giờ, nếu dữ liệu cần ghi khác với dữ liệu đang lưu trữ thì mạch FF sẽ thay đổi trạng thái cho phù hợp với 2 tín hiệu ngược pha được tạo ra từ dữ liệu. Bit mới đã được ghi vào. - Chu kỳ đọc của SRAM Giản đồ thời gian một chu kỳ đọc của SRAM tương tự như giản đồ thời gian một chu kỳ đọc của ROM (H 7.11) thêm điều kiện tín hiệu RW/ lên mức cao. - Chu kỳ viết của SRAM (H 7.19) là giản đồ thời gian một chu kỳ viết của SRAM Một chu kỳ viết tWC bao gồm: - tAS (Address Setup time): Thời gian thiết lập địa chỉ : Thời gian để giá trị địa chỉ ổn định trên bus địa chỉ cho tới lúc tín hiệu CS tác động. - tW (Write time): Thời gian từ lúc tín hiệu CS tác động đến lúc dữ liệu có giá trị trên bus dữ liệu. - tDS và tDH: Khoảng thời gian dữ liệu tồn tại trên bus dữ liệu bao gồm thời gian trước (tDS) và sau (tDH) khi tín hiệu CSkhông còn tác động - tAH (Address Hold time): Thời gian giữ địa chỉ: từ lúc tín hiệu CSkhông còn tác động đến lúc xuất hiện địa chỉ mới. (H 7.19) 7.3.3.2 RAM động (Dynamic RAM, DRAM) (H 7.20a) là một tế bào nhớ của DRAM (a) (H 7.20) (b) (H 7.20b) là một cách biểu diễn tế bào nhớ DRAM trong đó đơn giản một số chi tiết được dùng để mô tả các tác vụ viết và đọc tế bào nhớ này. Các khóa từ S1 đến S4 là các transistor MOS được điều khiển bởi các tín hiệu ra từ mạch giải mã địa chỉ và tín hiệu R/ W . ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
8. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 16 (H 7.22) Giản đồ cho thấy tác động của tín hiệu MU X và các tín hiệu RAS và CAS. Khi MU X ở mức thấp mạch đa hợp cho ra địa chỉ hàng (A0 . . . A6) và được chốt vào thanh ghi khi tín hiệu RAS xuống thấp. Khi MU X ở mức cao mạch đa hợp cho ra địa chỉ cột (A7 . . . A13) và được chốt vào thanh ghi khi tín hiệu CAS xuống thấp. Khi cả địa chỉ hàng và cột đã được giải mã, dữ liệu tại địa chỉ đó xuất hiện trên bus dữ liệu để đọc ra hoặc ghi vào ( khả dụng) c. Làm tươi DRAM DRAM phải được làm tươi với chu kỳ khoảng 2ms để duy trì dữ liệu. Trong phần trước ta đã thấy tế bào nhớ DRAM được làm tươi ngay khi tác vụ đọc được thực hiện. Lấy thí dụ với DRAM có dung lượng 16Kx1 (16.384 tế bào) nói trên, chu kỳ làm tươi là 2 ms cho 16.384 tế bào nhớ nên thời gian đọc mỗi tế bào nhớ phải là 2 ms/16.384 = 122 ns. Đây là thời gian rất nhỏ không đủ để đọc một tế bào nhớ trong điều kiện vận hành bình thường. Vì lý do này các hãng chế tạo đã thiết kế các chip DRAM sao cho mỗi khi tác vụ đọc được thực hiện đối với một tế bào nhớ, tất cả các tế bào nhớ trên cùng một hàng sẽ được làm tươi. Điều này làm giảm một lượng rất lớn tác vụ đọc phải thực hiện để làm tươi tế bào nhớ. Trở lại thí dụ trên, tác vụ đọc để làm tươi phải thực hiện cho 128 hàng trong 2 ms. Tuy nhiên để vừa vận hành trong điều kiện bình thường vừa phải thực hiện chức năng làm tươi người ta phải dùng thêm mạch phụ trợ, gọi là điều khiển DRAM (DRAM controller) IC 3242 của hảng Intel thiết kế để sử dụng cho DRAM 16K (H 7.23) Ngã ra 3242 là địa chỉ 7 bit đã được đa hợp và nối vào ngã vào địa chỉ của DRAM. Một mạch đếm 7 bit kích bởi xung đồng hồ riêng để cấp địa chỉ hàng cho DRAM trong suốt thời gian làm tươi. 3242 cũng lấy địa chỉ 14 bit từ CPU đa hợp nó với địa chỉ hàng và cột đã được dùng khi CPU thực hiện tác vụ đọc hay viết. Mức logic áp dụng cho các ngã REFRESH ENABLE và ROW ENABLE xác định 7 bit nào của địa chỉ xuất hiện ở ngã ra mạch controller cho bởi bảng REFRESH ROW Controller ENABLE ENABLE output HIGH X Refresh address (từ mạch đếm) LOW HIGH Địa chỉ hàng (A0 . . . A6 từ CPU) LOW LOW Địa chỉ cột (A7 . . .A13 từ CPU) ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
9. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 18 (H 7.25) 7.4.3 Mở rộng dung lượng nhớ Cả vị trí nhớ và độ dài từ của các IC đều không đủ để thiết kế. Để mở rộng dung lượng nhớ ta phải kết hợp cả hai cách nói trên Thí dụ: Mở rộng bộ nhớ từ 4Kx4 lên 24Kx8. Cần 6 cặp IC mắc song song, mỗi cặp IC có chung địa chỉ và được chọn bởi một mạch giải mã 3 sang 8 đường (H 7.26). Ta chỉ dùng 6 ngã ra từ Y0 đến Y5 của mạch giải mã ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
10. ___Chương 7 Bộ nhớ bán dẫn VII - 20 BÀI TẬP 1. Dùng IC PROM 4 ngã vào và 4 ngã ra thiết kế mạch chuyển mã từ Gray sang nhị phân của số 4 bit. 2. Dùng IC PAL 4 ngã vào và 4 ngã ra thiết kế mạch chuyển từ mã Excess-3 sang mã Aiken của các số từ 0 đến 9. Dưới đây là 2 bảng mã Excess-3 Aiken N A B C D A B C D 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 2 0 1 0 1 0 0 1 0 3 0 1 1 0 0 0 1 1 4 0 1 1 1 0 1 0 0 5 1 0 0 0 1 0 1 1 6 1 0 0 1 1 1 0 0 7 1 0 1 0 1 1 0 1 8 1 0 1 1 1 1 1 0 9 1 1 0 0 1 1 1 1 3. Thiết kế mạch để mở rộng bộ nhớ từ 2Kx4 lên 2Kx8 4. Thiết kế mạch để mở rộng bộ nhớ từ 1Kx4 lên 8Kx4. Cho biết địa chỉ cụ thể của các IC 5. Thiết kế mạch để mở rộng bộ nhớ từ 2Kx4 lên 16Kx8. Cho biết địa chỉ cụ thể của các IC ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ