Paměti mikropočítače Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM 2 Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /5 Autor Ing. Miloš Zatloukal Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-CT/1-EL-5/15 Název DUM Paměti mikropočítače Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-41-L/52 Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika Vyučovací předmět Číslicová technika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 15 – 16 let Anotace Výukový materiál je přehledem pamětí používaných v konstrukcích s mikropočítači. Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Procesor, informace, adresa, adresování, paměť, buňka, volatilní, nevolatilní, kapacita, přístupová doba, přenosová rychlost, organizace paměti, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash, USB, RWM, statický, SRAM, dynamický, DRAM, RAS, CAS, FRAM, „nano“ paměti Datum 3. 2. 2013

Paměti mikropočítače Obsah tématu Paměť – použití, umístění, požadavky Realizace paměti programu a) ROM (Read Only Memory) b) PROM (Programable ROM) c) EPROM (Erasable Programable ROM) d) EEPROM (Electricaly Erasable Programable ROM) e) Flash EEPROM Realizace paměti dat paměti RWM (RAM) - statické - dynamické paměti FRAM nově vyvíjené technologie pro paměti

Paměťový podsystém mikropočítače Paměti Paměti u mikropočítače se používají: - ke čtení programu z paměti - k ukládání a čtení dat (operandů – čísel a znaků) Kde se paměti nacházejí? - jsou realizovány přímo na čipu – interní paměť - mimo čip mikropočítače – jde o paměť externí (větší paměti) Energetická závislost uchování obsahu paměti - nezávislé - obsah paměti je uchován i po odpojení napájecího napětí (říká se jim také nevolatilní) – příklad paměť typu ROM - závislé (obsah paměti se ztrácí po odpojení napájecího napětí) (říká se jim také volatilní) – paměť typu RWM (Read Write Memory)

Paměťový podsystém mikropočítače Jaké jsou požadavky na paměť ? - kapacita – množství informace, které paměť pojme - přístupová doba – doba přístupu k informacím v paměti - přenosová rychlost - množství dat, které lze z paměti přečíst za jednotku času (udává se v kb/s, kB/s, Mb/s, MB/s, Gb/s, GB/s, tedy v kilobitech, kilobajtech, megabitech, megabajtech, gigabitech, gigabajtech – vše za 1 sekundu) - cena za uložení 1 bitu - spolehlivost – střední doba mezi dvěma poruchami paměti - životnost – délka doby uchování informace - organizace paměti – způsob uspořádání buněk v paměti (např. do matice z řádků a sloupců)

Realizace paměti programu (programová paměť – Code Memory) a) ROM (Read Only Memory) - paměť pouze pro čtení – také jako „ryzí“ ROM - program je do paměti uložen (jako data) výrobcem paměti - je uložen pomocí poslední technologické masky při výrobě čipu - obsah paměti není možno změnit - obsah paměti není možné smazat - paměťová buňka obsahuje polovodičovou diodu nebo tranzistor - technologie TTL (bipolární) nebo MOS (unipolární) Použití: pro větší sériově vyráběná zařízení, u nichž se nepředpokládá požadavek na změnu obsahu paměti – jako tzv. „firmware“) Příklad použití: ve starších zařízeních typu PC (ROM – BIOS), harddisk, grafická karta

ROM – obrázky Obr. 2: grafická karta VGA – ISA, paměti RAM, ROM Obr. 1: ROM BIOS klávesnice a základní desky (MR BIOS) Obr. 3: ROM – jednočipový mikropočítač Intel 8048

b) PROM (Programable ROM) - jednou zapsatelná bez možnosti vymazání - začala se používat v 60. letech minulého století - později nazývána také jako OTP (One Time Programmable) paměť (česky paměť s jen jedním zápisem) - prodává se jako čistá - obsahuje samé jedničky – buňka tvořená diodou - obsahuje samé nuly – buňka tvořená víceemitorovým tranzistorem - zvýšeným napětím (10 nebo 20 V) dojde k zápisu (v přístroji zvaném programátor) - u buňky tvořené diodou a tavnou propojkou z chromniklu (NiCr) dojde zvýšeným napětím k přetavení propojky (z jedničky se stane nula) - u buňky tvořené víceemitorovým tranzistorem a tavnou propojkou dojde zvýšeným napětím k přetavení propojky (z nuly se stane jednička)

b) PROM (Programable ROM) – pokračování - má malou kapacitu (řádově bajty až kilobajty) - příklad typu bipolárních paměti PROM MH 74188 – 32 x 8 bitů, tedy 256 b (bitů) = 32 B (bajtů) – TTL MH 74S287 – 256 x 4 = 1024 bitů = 128 B – STTL MH 74S571 – 512 x 4 bity, tedy 2048 b = 256 B – STTL - výrobní technologie – bipolární (TTL), unipolární (MOS) - je levnější než EPROM - lze ji osadit pevně do plošného spoje - nepotřebuje patici - novější typy – OTP jsou pamětmi EPROM/EEPROM bez možnosti mazání (mají ale menší životnost než „ryzí“ ROM ) Použití: vhodná i se pro sériovější výrobu - uživatelský zápis vyzkoušeného programu do paměti (menší série) - použitelná jako náhrada složitějšího kombinačního obvodu – např. dekodéru - vhodná pro zápis informace, která nemá být změněna – např. sériové číslo

PROM – obrázek Obr. 4: PROM bipolární 74S287, 256 x 4 = 1024 bitů jako paměť konstant

c) EPROM (Erasable Programmable ROM) - paměť opakovaně mazatelná a zapisovatelná - uložená informace je jako el. náboj na přechodu unipolárního tranzistoru - obsah se maže jako celek ultrafialovým (UV) zářením o λ ≤ 400 nm (v mazacím zařízení se zdrojem UV záření a to přes průhledné okénko na pouzdře paměti) - vymazaná paměť obsahuje samé jedničky - čas potřebný na vymazání paměti se pohybuje v desítkách minut - zápis do paměti (její programování) se děje se zvýšeným napětím (25 V, 21 V, 12,5 V – novější typy mají stále nižší programovací napětí) - napájecí napětí pamětí EPROM je +5 V - paměť (mikropočítač s touto pamětí na čipu) je dražší než předchozí typy pamětí ROM - pouzdro typu DIL 24 (2 x 12 vývodů) nebo DIL 28 (2x 14 vývodů)

c) EPROM (Erasable Programmable ROM) - pokračování - paměť vyžaduje speciální pouzdro s okénkem - manipulace s pamětí je v případě požadavku na změnu jejího obsahu zdlouhavější - vyžaduje speciální mazací a zapisovací zařízení (programátor) - paměť musí být umístěna v patici (z níž se snadno vyjme) - to zvyšuje cenu zařízení s pamětí EPROM - snižuje spolehlivost (špatný kontakt) - technologie MOS (unipolární) – podtyp HMOS nebo CMOS Příklad paměti typu EPROM 27C16 – 16 kb = 1024 x 16 bitů = 2 kB, technologie CMOS 27C64 – 64 kb = 65535 bitů = 8 kB, technologie CMOS 27C040 – 4 miliony bitů, 512 kB, technologie CMOS - počet cyklů paměti (mazání – zápis) se pohybuje v desítkách – do stovky - doba uchování informace (okénko přelepeno – ochrana před světlem) – cca 10 let Použití - pro uložení tabulek konstant nebo firmwaru (kde je předpoklad možnosti změny obsahu mimo zařízení, v němž je EPROM použita) - pro uložení programu – program může být změněn (opraven, doplněn)

EPROM – obrázky Obr. 5: EPROM 2764 , 64Kb, jako paměť BIOSu grafické karty typu Hercules Obr. 6: EPROM bez vrchní části pouzdra

d) EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) - elektricky mazatelná paměť typu ROM - permanentní, nevolatilní typy - paralelní (více adresních vodičů, větší pouzdro) - sériová (méně adresních vodičů, malé pouzdro) - první typy byly jako EPROM (bez okénka) – mazaly se a také zapisovaly (programovaly) elektricky – v programátoru – obojí zvýšeným napětím – odpadlo mazání UV světlem – říkalo se jim EAROM-A – Alternable - druhá generace už měla mazací i zapisovací obvody přímo na čipu - nevyžaduje externí mazací a zapisovací zařízení (programátor) - mazat i zapisovat lze paměť po částech - paměť nemusí být umístěna v patici - technologie MOS (unipolární) – podtyp MNOS - mazání i zápis (programování) – pro uživatele paměti splývají do jedné operace - doba mazání a zápisu trvá řádově milisekundy, doba čtení kolem 100 ns (paměť je celkově pomalejší než RWM – RAM)

d) EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) – pokračování Příklad paměti typu EEPROM 28C16 – paralelní typ, kapacita 16 kb = 2048 x 8 bitů = 2 KB, technologie CMOS 24C16 – sériový typ, kapacita 16 kb = 2048 x 8 bitů = 2 KB, technologie CMOS - počet cyklů paměti (mazání – zápis) je řádově 104 až 105 (až 100 000) - doba uchování informace – cca 10 až 20 let - napájecí napětí od 1,8 do 5,5 V Použití - pro uložení různých nastavení – parametrů - nastavení přístrojů typu rozhlasový, televizní přijímač (paměť stanic, nastavení hlasitosti, apod.) - stolní telefon a fax – paměť čísel - PC – BIOS na základní desce, v modulech RAM, v monitoru

EEPROM – obrázek Obr. 7: EEPROM – AWARD BIOS na základní desce

e) Flash EEPROM ( „blesková“ – rychlá EEPROM) - v jedné operaci umožňuje mazat (zapisovat) do více částí paměti - má vyšší rychlost zápisu než klasická EEPROM - části paměti se nazývají bloky nebo sektory Použití - paměť programu na čipu jednočipového mikropočítače - ve formě - paměťových karet pro fotoaparáty, kamery a mobily např. SD – Secure Digital - disků SSD – Solid State Drive – náhrada harddisku u notebooků - USB flash disk („fleška“) – dnes nejběžnější paměť pro přenos dat - omezená životnost – maximální počet zápisů do jednoho místa je asi 100 000

Paměť dat – RWM paměť - RWM znamená Read Write Memory – paměť pro zápis a čtení (polovodičová s adresním přístupem) - používá se pro ně označení RAM (Random Access Memory) (paměť s nahodilým – libovolným přístupem – informace z kterékoliv paměťové buňky paměti je dostupná za stejnou dobu) - slouží pro uchování dat - ve formě operační paměti pak obsahuje: -právě prováděný program (ten se načte za paměti typu ROM nebo jí podobné) - zpracovávaná data - tato paměť je energeticky závislá – volatilní – po vypnutí napájení se obsah paměti ztrácí… - používají se 2 typy pamětí RAM - statické (SRAM) - dynamické (DRAM)

Paměť dat – RWM paměť – pokračování a) statická RAM (SRAM) - pro realizaci paměťové buňky používá bistabilní klopné obvody - obsah buňky je udržován pokud je paměť napájena (pod napětím) a pokud není buňka přepsána jinými daty - používaná technologie – CMOS Řízení paměti signály (všechny aktivní v logické nule) - CS (CS = chip select – volba čipu – myšleno jedno pouzdro paměti z několika) ( tento signál paměť vybere – z několika pamětí ve skupině) - OE (OE = Output Enable) – slouží ke čtení z paměti (připojuje výstup paměti na společnou datovou sběrnici a z paměti se následně čte) - WR (WR = Write – Zapiš) – řídí zápis do paměti Před V/V operací – vstup/výstup = zápis/čtení musí být na adresní sběrnici platná (ustálená) adresa paměťové buňky s níž má být pracováno.

a) statická RAM (SRAM) – pokračování - výhodná pro svou malou přístupovou dobu - výrobní technologie – TTL, MOS Nevýhody: - vyšší složitost její výroby - vyšší cena paměti Použití: - jako paměť typu cache (s menší kapacitou, ale velmi rychlá) - v jednočipovém mikropočítači jako datová paměť typu zápisník

b) dynamická RAM (DRAM) - buňky jsou tvořeny paměťovými kondenzátory (jde o parazitní kapacity mezi elektrodami tranzistoru) a spínači - náboj v kondenzátoru se časem samovolně vybíjí – musí být neustále pravidelně doplňován (tzv. občerstvování – refreshing) - paměťová buňka je jednodušší než u SRAM - dosahuje vyšší kapacity a nižší ceny než u SRAM - DRAM je ale pomalejší než SRAM (má zde vliv občerstvování paměti) - adresu je nutné zavádět v časovém multiplexu (ušetří se vývody – adresní bity) (tj. na dvakrát – nejprve jednu a pak druhou polovinu adresy). Kromě tohoto způsobuje menší rychlost paměti také potřeba nepřetržitě obnovovat obsah paměti (refreshing) – stačí k tomu postupné adresování všech buněk paměti řízení občerstvování zajišťují signály - RAS (Row Address Strobe – obnovování po řádcích) - CAS (Colomn Address Strobe – obnovování po sloupcích) - vytváření a časové posloupnosti řídicích signálů občerstvování realizuje řadič paměti DRAM – je buď integrován na čipu, nebo je realizován jako samostatný obvod mimo čip paměti Použití: jako operační paměť v počítačich a mikropočítačích

DRAM – obrázek Obr. 8: dynamické paměti DRAM 4 x 1 MB na základní desce PC 486

b) Jiné datové paměti FRAM – Ferroelectric Random Access Memory - nevolatilní (udrží svůj obsah u bez napájecího napětí) - paměťová buňka využívá feroelektrické krystaly - elektrické pole mění magnetickou polarizaci krystalu - paměť je rychlá – nízká doba zápisu - má velmi nízkou spotřebu – napájení 1,5 V - má malou plochu čipu – paměť je miniaturní - je spolehlivá při zápisu (nízkým napětím a malým proudem) - trvanlivost – obsah paměti je uchován okolo 10 let - je odolná proti radiaci (možnost využití v medicíně) Použití - jako náhrada pamětí EEPROM (v různých elektronických přístrojích jako paměť nastavených parametrů přístroje (síťové modemy, laserové tiskárny, TV přijímače, sběr dat – měřiče spotřeby…)

FRAM – obrázek Obr. 9: FRAM FM3116-S – 16 k bitů = 2 kB

Nově vyvíjené technologie pro paměti Další typy jsou ve fázi výzkumu (zatím nebyly uvedeny na trh) - Nano-RAM (NRAM) – využívají uhlíkových nanotrubiček (rozměry 10-9 m) - Memristor (paměťový rezistor) – mění odpor v závislosti na proudu a hodnotu si po jeho skončení pamatuje - Racetrack Memory – využívá magnetických nanovláken

Kontrolní otázky 1. Volatilní paměť – energetická závislost – příklad typu paměti: nezávislá – EPROM závislá – RAM nezávislá – EROM 2. Maskou v rámci technologického procesu výroby polovodičové paměti zapsaný obsah je typický pro paměť typu: ROM PROM EPROM 3. Rozdíl z hlediska fyzikálního principu mezi EPROM a EEPROM spočívá: v tom, že EPROM nelze vymazat v nutnosti napájecího napětí pro uchování uložené informace druhu mazání paměti

Kontrolní otázky – správné odpovědi – červené 1. Volatilní paměť – energetická závislost – příklad typu paměti: nezávislá – EPROM závislá – RAM nezávislá – EROM 2. Maskou v rámci technologického procesu výroby polovodičové paměti zapsaný obsah je typický pro paměť typu: ROM PROM EPROM 3. Rozdíl z hlediska fyzikálního principu mezi EPROM a EEPROM spočívá: v tom, že EPROM nelze vymazat v nutnosti napájecího napětí pro uchování uložené informace druhu mazání paměti

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, foto, ROM BIOS klávesnice a základní desky (MR BIOS) Obr. 2: vlastní, foto, grafická karta VGA – ISA, paměti RAM, ROM Obr. 3: vlastní, foto, ROM – jednočipový mikropočítač Intel 8048 Obr. 4: vlastní, foto, PROM 74S287 Obr. 5: vlastní, foto, EPROM 2764 , 64Kb, jako paměť BIOSu grafické karty typu Hercules Obr. 6: vlastní, foto, EPROM bez vrchní části pouzdra Obr. 7: vlastní, foto, EEPROM – AWARD BIOS na základní desce Obr. 8: vlastní, foto, DRAM 4 x 1 MB na základní desce Obr. 9: vlastní, foto, FRAM 16 k bitů = 2 KB

Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X

Děkuji za pozornost 