23.11.2014

1

Maatriksstruktuurid ja mälud

1918

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL ELEKTROTEHNIKA INSTITUUT

Madis Lehtla

madis.lehtla@ttu.ee

RAR3210 Mikroprotsessortehnika loeng 21. novembril 2014

Universaalsed loogikalülitused

1. Kommutaatorid (multipleksor ehk MUX),

2. Programmeeritavad loogilised maatriksid

(PLM - programmable logic matrix) ja

3. Mälud (ROM, EEPROM, FLASH, DRAM,

SRAM, jt.).

Pooljuhtmälude liigitus

Mälud

Muutmälu Püsimälu

Staatil ine DünaamilineProgram-

meeritav

Ümberprog-

rammeeritav

Valmistaja Kasutaja

poolt

RAM ROM

poolt

Püsimälude elemendid

a) sular emitteriahelas

b) elektrilise läbilöögiga lühistatav pn-siire

c) laengukandjaga MOS-transistor

a) b) c)

VD1 VD2Sular

+

VTVT

Püsimälude ja maatriksite

“häälestamine” 1. Elementidevaheliste ühenduste

lisamisega (antifuse) ja

2. Olemasolevate ühenduste katkestamisega (fuse).

3. Transistoride abil vastavalt seadistusele.

…

Püsimälu

1. Püsimälu (ROM - read only memory) on mõeldud korduvaks informatsiooni lugemiseks.

2. Info on salvestanud püsimällu pooljuhtmälukiibi valmistaja või kasutaja poolt. Info salvestamist püsimällu nimetatakse püsimälu programmeerimiseks.

23.11.2014

2

Püsimälude alaliigid

1. Programmeeritav püsimälu (PROM - programmable read only memory) – info kustutamine ei ole võimalik

2. ümberprogrammeeritav püsimälu (EPROM - erasable programmable read only memory);

3. elektriliselt kustutatav ümberprogrammeeritav püsimälu (EEPROM - electrically erasable programmable read only memory).

PROM

1. PROM on tavaliselt masstoode, sest

tehases salvestatakse sinna

enamkasutatavad püsiandmed nagu

standardkoodide teisendustabelid jms.

2. Tarbija salvestab püsimällu

tarbijaprogramme või juhtseadme

mikroprogramme mida pole vaja enam

uuendada.

Ümberprogrammeeritav püsimälu

A0

A7

0

255

256 x 4 Puhver

CS

D0

D1

D2

D3

Dekooder

Programmeerimine(kustutamine)

__

Maatriksstruktuur

U0 U1 Uk

+ Y0 Y1 Yn

M1 M2

+

E

R1

R2

Muutmälud

1. Muutmälude (RAM - random access

memory) põhiliigiks on pooljuhtmälud,

mis koosnevad trigeritest või muudest

mäluelementidest.

2. Muutmälud on toitepingest sõltuvad ning

jagunevad kahte liiki, staatilisteks ja

dünaamilisteks.

Staatilises muutmälu (SRAM)

• Staatilises muutmälus (SRAM)

kasutatakse iga infobiti salvestamiseks

ühte trigerit, mis säilitab infot seni, kuni

säilib toitepinge.

• Kuna staatilises mälus säilib salvestatud

informatsioon ka pärast mälust lugemist,

püsides seal toitepinge olemasolu korral

kui tahes kaua, siis nimetatakse niisugust

mälu staatiliseks.

23.11.2014

3

A0

A1

A2

A3

A4

A5

A6 A7 A8 A9

DI

R / W

CS

Sisendi-

väljundi

juhtimine

Veeru sisend-väljund&

Veerudekooder

DO

0

63

0 15

0 1 15

64 rida

16 veergu

64 x 16 = 1024 bitti

Rea-

dekooder

A0

A9

R / W

CS

DI

DO

RAM

a) b)

Staatilise muutmälu struktuur Staatiline muutmälu SRAM

M

32k x 8

14 12 28 12

+ 5 V

11 12

12 12

13 12

15 12

D1

12

D2

12

D3

12

D4

12

22 12

V

16 12

17 12

18 12

19 12

D5

12

D6

12

D7

12

D8

12 27 12

W

10 12

8 12 7 12

A1

A3

2

A2

2

A4

2

9 12

6 12

4 12 3 12

A5

2

A7

2

A6

2

A8

2

5 12

25 12

21 12 23 12

A9

2

A11

2

A10 12

A12

24 12

2 12 1

12

A13

2 A15

2

A14

2 26 12

20 12

E

&

&

&

&

8 12 16 12

+ 5 V 12

1 12 2 12 3 12 4 12

1 2 4 8

1 15 14 13

2 12

V 12

M

16x4

16 12

1 12 2 12 3 12 4 12

1 12 2 12 3 12 4 12

4 12 6 12

10 12

12 12

9

11

5

7

1 3

12

W

C1

C2

C3

C4

D1

D2

D3

D4

A1 A2

A3 A4

V DC

Juhtsignaalid ja andmesignaalid

• Inverteeritud kiibivalikusignaal (chip select,

CS). Madal signaalinivoo lubab mälukiibist

bitte lugeda (DO) või sellesse kirjutada (DI).

Kõrge signaalinivoo korral on mäluelement on

süsteemi tööst välja lülitatud ning ei reageeri

aadressi A9...A0 koodile ega signaalile R/W.

• Kirjutus- ja lugemissisgnaal (read-write, R/W).

Madal singaalinivoo määrab kirjutusrežiimi,

kõrge signaalinivoo lugemisrežiimi.

DO

A0

A9

R / W

CS

DI RAM

b) Mälu juhtsignaalid ja seisundid

*Juhul kui sisendi ja väljundi jaoks on eraldi ühendused välja toodud

CS R/W

Mälu režiim Väljundi seisund C1..C4 (7489)

Andmesiini seisund D1..D8 (62256)

Siinipuhvrite talitlusviis

0 0 Salvestamine Sisendi eitus Sisend määrab kirjutusrežiimi

0 1 Lugemine Mälupesa sisu

Väljund määrab lugemisrežiimi

1 0 Suletud Sisendi eitus (Sisend) väljalülitatud

1 1 Suletud Väljund suletud

Kõrge Z (suletud)

väljalülitatud

Mälude andmesõnad

• Andmesõna pikkuseks on tavaliselt 1, 4, 8,

16, 32 jne bitti. Vastavalt andmesõna

pikkusele valitakse ka mäluelementide

ühendamisviis.

Dünaamiline RAM

VT2

VT3

VT1

VT4C1

C2

REG

CWRSiin X

Siin Y

+E

D

23.11.2014

4

Dünaamiline muutmälu

• Dünaamilises muutmälus säilib info MOSFET-transistori paisu mahtuvuse elektrilaenguna. Tavaliselt säilib see laeng lekkevoolu tõttu väga lühikest aega. Seepärast tuleb info säilitamiseks laengut perioodiliselt uuendada (regenereerida).

• Dünaamiline muutmälu on staatilise mäluga võrreldes lihtsama ehitusega (ühe biti salvestamiseks läheb vaja umbes kaks korda vähem elemente), suurema toimekiirusega ning tarvitab tööks vähem energiat.

Muutmälu info regenereerimine

1. Dünaamilisi muutmälusid regenereeritakse harilikult regenereerimissignaaliga (REG) millega koos toimub mälu kõigi ridade järjestikune adresseerimine ja uuesti “kirjutamine”.

2. Tavaline lugemine ega kirjutamine pole regenereerimise ajal võimalik, samuti ei saa regenereerimist alustada lugemise ega kirjutamise tsükli ajal.

3. Regenereerimishetke kindlaksmääramine, kõigi rea-aadresside etteandmine, lugemise ja kirjutamise blokeerimine jms operatsioonid teevad dünaamiliste pooljuhtmälude kasutamise võrreldes staatiliste mäludega keeruliseks ja nõuavad lisaelemente.

DRAM eelised

1. Dünaamiliste muutmälude eeliseks on

madal hind ja võimsustarve.

2. Neid saab valmistada väga suure

integratsiooni-astmega, mis võimaldab

toota suure mälumahuga kiipe.

3. Arvutite ja mikroprotsessorsüsteemide

suuremad mäluseadmed koostatakse

tavaliselt dünaamilistest mälukiipidest.

Muutmälude elemendid

1. Trigerid (SRAM mäludes)

2. Pooljuhtstruktuuri sisemised mahtuvused

(DRAM mäludes)

Muutmälude puudused

• Kõigi muutmälude oluliseks puuduseks on

salvestise hävimine toitepinge

väljalülitumisel.

• Selle puuduse vältimiseks kasutatakse

avariitoidet (katkematu toite allikaid UPS)

ning muid mäluseadmeid, kus

informatsioon säilib teatud aja ka ilma

toitepingeta (näiteks SRAM koos 3V

liitiumpatareiga).

Sisseehitatud mäludega

kiibid...

23.11.2014

5

Von Neumanni arhitektuuriga

juhtarvutite struktuur

Sisend- väljund- seade

Aritmeetika-

loogikaplokk

(ALU)

Mälu- seade

Juhtseade

Keskprotsessor CPU

Andmed Andmed

Väline juhtimine

Käsud

Aadressid

Juhtinfo Aadressid

Harwardi arhitektuuriga

juhtarvutite struktuur

Juhtseade Programmikoodi

(käskude) mälu Andmemälu

Aritmeetika-

loogikaplokk

(ALU)

Sisendid ja

väljundid

Aadressi- ja andmesiin

VÄLISMÄLU

AADRESS

ANDMED

CE

OE

WR

MIKRO-KONTROLLER

LUKK-

REGISTER

(LATCH) D15..D0

AD<15:0>

ALE

OE

WRH

WRL

CE

A15..A0 A15..A0

Aadressi ja andmesiin

Aadressisiin

Küsimused

1. Milliseid pooljuhtmälude liike teate?

2. Mille poolest erinevad staatilised ja dünaamilised mälud?

3. Kus kasutatakse püsimälusid?

4. Kuidas toimub info salvestamine püsimällu?

5. Miks dünaamilistes mäludes on vaja informatsiooni regenereerida? Kuidas see toimub?

6. Kuidas toimub mälupesa valik?

7. Milliseid elemente kasutatakse info salvestamiseks?

16-bit sõnade jaotus BE (BIG endian)

Mäluväljad

07 07815

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

2

1

3

5

7

9

11

13

15

17 16

14

4

10

6

12

8

65535

a) b)

Mälukaart ja mälualad

• Register on mitmebitiline mäluelement. 8-bitilise kontrolleri registris säilitatakse 8-bitti

• Mikrokontrolleril PIC16F877A on kokku 4 mäluala (memory bank). Üksikuid mälupesad on kasutusel registritena, seetõttu nimetatakse neid ka registriplokkideks (register file). Sellist trigeritest koosnevat mälu nimetatakse staatiliseks muutmäluks (SRAM).

• Kasutajaandmete (muutujate väätuste) säilitamiseks on üldotstarbelised e. “General Purpose” registrid

23.11.2014

6

Andmete lugemise ajadiagramm

Mälust lugemisel sooritatakse järgmised elementaartehted:

1. juhtsignaal RD/WR viiakse olekusse RD (read), mis tähendab lugemist,

2. mälupesa aadressisõna, kust soovitakse lugeda infot, saadetakse aadressisiinile,

3. kiibivaliku signaaliga CS (chip select) avatakse juurdepääs mällu,

4. loetakse mälupesa sisu väljundisse (andmesiinile).

t t 1 t 2 t 3 t 4

Aad re ss

R D/W R

CS

S e ad m e (m älu )

v älju n d

Tak t iim p u ls id

Andmete kirjutamise ajadiagramm

Mällu kirjutamisel sooritatakse järgmised elementaartehted:

1. mälupesa aadressisõna, kuhu soovitatakse kirjutada infot, saadetakse aadressisiinile,

2. kiibivaliku signaaliga CS (chip select) avatakse juurdepääs mällu,

3. juhtsignaal RD/WR viiakse olekusse WR (write), mis tähendab kirjutamist,

4. mällu kirjutatav infosõna loetakse andmesiinilt mällu.

5. suletakse juurdepääs mällu kiibivalikusignaali deaktiveerimisega

6. Muudetakse aadressisiinil olekut (aadressi) järgmiseks lugemis või kirjutustsükliks

An d m e d jõu avad

se ad m e (m älu )

s ise n d is se

t t 1 t 2 t 3 t 4 t 6

Aad re ss

R D/W R

CS

Tak t iim p u ls id

t 5

Kilobait, kibibait ja Kbyte

• 1998 aastal pakuti andmemahu

kirjendamiseks välja lühend “kibi”

sõnadest “kilo binary byte”.

• Milles on erinevus võrreldes kilobaidiga?

• 1 kilobait on 1000 baiti (lühend kB

sarnaselt SI süsteemi ühikutega).

• 1 kibibait (lühend KB) on 1024 baiti

Jadaliidesega mälud

• Jadaliidestest on levinuim SPI (Serial-

Pheripheral Interface) mida võib võrrelda

lihtsa nihkeregistriga.

Lisalugemist

Peatükk 5

“Homogeensed struktuurid”

raamatust

“Loogika ja programmeerimine” (2001)

vt. http://www.ene.ttu.ee/elektriajamid/leonardo/loogika/LOOGS5.pdf

http://et.wikipedia.org/wiki/SRAM

http://et.wikipedia.org/wiki/Dünaamiline_muutmälu

http://et.wikipedia.org/wiki/EEPROM

http://et.wikipedia.org/wiki/Välismälu#NOR_flash

http://et.wikipedia.org/wiki/Välismälu#NAND_flash