Κεφ. 10 Μνήμες – Θεωρία

10.1 Εισαγωγή

Μνήμη (memory) στα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι κάθε ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο μπορεί να αποθηκεύσει ένα σύνολο από δυαδικά ψηφία (bits) τα οποία θα έχουν λογικές τιμές “0” και “1”.

Όπως έχουμε μάθει το flip-flop είναι ένα κύκλωμα που μπορεί να αποθηκεύει ένα bit πληροφορίας.
Ο καταχωρητής είναι ένα κύκλωμα που αποτελείται από flip-flops και μπορεί να αποθηκεύσει ένα bit σε κάθε flip-flop.
Η μνήμη κατασκευάζεται από πολλούς καταχωρητές και κάθε ένας αποτελεί μια λέξη της μνήμης.
Σε κάθε λέξη της μνήμης αντιστοιχεί ένας μοναδικός αριθμός τον οποίο ονομάζουμε διεύθυνση (address).

10.2 Βασικές Έννοιες

Κύτταρο (cell) μνήμης είναι το βασικό ηλεκτρονικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της στοιχειώδους μονάδας δυαδικής πληροφορίας του ενός bit και μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις δύο λογικές καταστάσεις 0 ή 1.
Χωρητικότητα (Capacity) είναι ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά μιας μνήμης και εκφράζεται από το συνολικό αριθμό των bits που μπορεί να αποθηκεύσει.
Διεύθυνση (Address) ονομάζεται ένας αριθμός με τον οποίο αντιστοιχούμε με ένα μοναδικό τρόπο κάθε λέξη της μνήμης. Ο αριθμός της διεύθυνσης γράφεται στο δεκαεξαδικό σύστημα και σπάνια στο δεκαδικό ή στο δυαδικό σύστημα.
Χρόνος προσπέλασης (Access Time) μιας μνήμης ονομάζεται το χρονικό διάστημα το οποίο μεσολαβεί από τη χρονική στιγμή που έχει τοποθετηθεί η πληροφορία της διεύθυνσης, έως την χρονική στιγμή που εμφανίζονται τα δεδομένα της λέξης στις γραμμές των δεδομένων (για ανάγνωση) ή που αποθηκεύονται τα δεδομένα που βρίσκονται στις γραμμές των δεδομένων (για εγγραφή). Ο χρόνος αυτός συμβολίζεται σαν t_ACC , δίνεται σε nsec (10^-9 sec) ή μsec (10^-6 sec) και αποτελεί ένα μέτρο της ταχύτητας λειτουργίας της μνήμης.
Η παράλληλη προσπέλαση μας εξασφαλίζει τη μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων με κόστος την πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων που απαιτούνται λόγω του πλήθους των γραμμών.
Η σειριακή προσπέλαση μας εξασφαλίζει την ελάχιστη πολυπλοκότητα αφού χρησιμοποιείται συνήθως μια ψηφιακή γραμμή για τη μεταφορά των δεδομένων, αλλά σε βάρος της ταχύτητας μεταφοράς τους.
Πρόσκαιρη μνήμη (Volatile memory) είναι οι μνήμες στις οποίες τα αποθηκευμένα δεδομένα χάνονται όταν παύει να υπάρχει η τάση τροφοδοσίας. Η μνήμη RAM αποτελεί ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα.
Μη-πρόσκαιρη μνήμη (Non–volatile memory) είναι οι μνήμες που τα αποθηκευμένα δεδομένα διατηρούνται όταν διακοπεί η τάση τροφοδοσίας. Η μνήμη ROM αποτελεί ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα.

10.3 Μνήμες ROM

Η μνήμη ROM χρησιμοποιείται για την αποθήκευση πληροφοριών οι οποίες δεν μεταβάλλονται ή μεταβάλλονται σπάνια.

Η εγγραφή (write) των πληροφοριών γίνεται συνήθως κατά την κατασκευή τους.
Η εγγραφή των πληροφοριών ονομάζεται και προγραμματισμός (programming) της μνήμης ROM.
Όταν διακόψουμε την τάση τροφοδοσίας μιας μνήμης ROM, τα δεδομένα της δεν χάνονται (δεν σβήνονται) και είναι διαθέσιμα, όταν επανέλθει η τάση τροφοδοσίας.

Επειδή οι μνήμες ROM είναι μη πρόσκαιρες χρησιμοποιούνται σε μικροϋπολογιστές (microcomputers) για την αποθήκευση προγραμμάτων τα οποία δεν αλλάζουν, αφού είναι ενσωματωμένα σε συστήματα συγκεκριμένης λειτουργίας (για παράδειγμα σε ένα πλυντήριο, σε ένα στερεοφωνικό συγκρότημα, σε μια τηλεόραση).

Τύποι προγραμματιζόμενων ROM

Οι διαφορές ανάμεσα στους τύπους των ROM, που υπάρχουν βρίσκονται κύρια στην κατασκευή του βασικού κυττάρου της μνήμης. Ανάλογα με τη διαδικασία προγραμματισμού έχουμε τους εξής τύπους ROM:

Προγραμματιζόμενη ROM (Programmable ROM: PROM)

Ο προγραμματισμός των PROM γίνεται από τον χρήστη και η μνήμη στην συνέχεια δεν μπορεί να επαναπρογραμματιστεί. Οι μνήμες PROM χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μικρού πλήθους συσκευών που τις χρησιμοποιούν. Συνήθως σ’ αυτές αποθηκεύονται τα προγράμματα και τα δεδομένα λειτουργίας μικροϋπολογιστών (microcomputers) και μικροελεγκτών (microcontrollers).

Διαγραφόμενη PROM (Erasable PROM: EPROM)

Οι μνήμες EPROM χρησιμοποιούνται σε συστήματα στα οποία θέλουμε να έχουμε τη δυνατότητα αλλαγής των δεδομένων. Οι μνήμες EPROM μπορούν να διαγραφούν και να επαναπρογραμματιστούν αρκετές εκατοντάδες φορές. Οι EPROM διαθέτουν στο περίβλημά τους ένα παράθυρο από διαφανές υλικό μέσω του οποίου φωτίζεται το ολοκληρωμένο κύκλωμα με υπεριώδη ακτινοβολία και έτσι διαγράφονται τα δεδομένα τους. (t_ACC = 150 ns)

Ηλεκτρικά Διαγραφόμενη PROM (Electrically Erasable PROM: EEPROM)

Αποτελούν μία βελτίωση των μνημών EPROM αφού η διαγραφή των δεδομένων γίνεται ηλεκτρικά. Επίσης ο προγραμματισμός τους γίνεται χωρίς να χρειάζεται να αποσυνδεθούν από το κύκλωμα με μια τάση 21 volt που ενσωματώνεται στο ολοκληρωμένο κύκλωμα. (t_ACC = 250 ns)

Μία ειδική κατηγορία μνήμης EEPROM είναι η μνήμη FLASH. Η κατασκευή του βασικού κυττάρου είναι παρόμοια με την EEPROM. Η κύρια διαφορά της είναι ότι η προσπέλαση γίνεται σε ομάδες λέξεων (128 ή και περισσότερων), ενώ οι χρόνοι προσπέλασης είναι αρκετά μεγαλύτεροι σε σχέση με τις EEPROM. Το πλεονέκτημά τους είναι ότι οι χωρητικότητές τους είναι της τάξης των 32Mbits έως 64Mbits. Χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων που δεν αλλάζουν συχνά.

10.4 Μνήμες RAM

Οι μνήμες RAM χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση πληροφοριών οι οποίες μεταβάλλονται συχνά.

Οι λειτουργίες ανάγνωσης (read) και εγγραφής (write) των πληροφοριών από και προς την μνήμη γίνονται πολύ πιο γρήγορα απ’ ότι στις μνήμες ROM.
Η μνήμη RAM είναι πρόσκαιρη (volatile) και όταν διακόψουμε την τάση τροφοδοσίας της, τα δεδομένα της χάνονται ενώ με την επάνοδο της τα περιεχόμενά της θα βρίσκονται σε τυχαίες καταστάσεις.
Επειδή οι μνήμες RAM είναι ταχύτατες χρησιμοποιούνται σε μικροϋπολογιστές (microcomputers) ως κύρια μνήμη για την προσωρινή αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων τα οποία αλλάζουν συχνά.
Η επικοινωνία του κάθε Ο.Κ. μνήμης RAM με άλλα ψηφιακά κυκλώματα γίνεται με ένα αριθμό n γραμμών εισόδου και n γραμμών εξόδου δεδομένων, k γραμμών επιλογής διεύθυνσης και γραμμών ελέγχου.
Με τον ακροδέκτη R/W επιλέγεται αν θα γίνει εγγραφή (Write) ή ανάγνωση (Read).

10.4.2 Τύποι RAM

Υπάρχει μεγάλη ποικιλία στους τύπους των RAM ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής του βασικού κυττάρου της μνήμης. Μπορούμε να χωρίσουμε τις μνήμες RAM σε δύο κατηγορίες:

Οι στατικές μνήμες RAM (Static RAM, SRAM). Το βασικό κύτταρο μιας SRAM μπορούμε να θεωρήσουμε ότι βασίζεται σε ένα flip-flop το οποίο αποθηκεύει τη δυαδική πληροφορία. Τα δεδομένα θα παραμείνουν αποθηκευμένα για όσο χρόνο θα υπάρχει τροφοδοσία στο Ο.Κ. Οι SRAM έχουν μικρές χωρητικότητες και υψηλό κόστος κατασκευής, είναι γρήγορες και έχουν μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος.
Οι δυναμικές μνήμες RAM (Dynamic RAM,DRAM). Το βασικό κύτταρο μιας DRAM μπορούμε να θεωρήσουμε ότι βασίζεται σε έναν πυκνωτή ο οποίος αποθηκεύει τη δυαδική πληροφορία σαν φορτίο. Το φορτίο που είναι αποθηκευμένο στους πυκνωτές αυτούς ελαττώνεται με το χρόνο (εκφόρτιση πυκνωτή) με αποτέλεσμα να χρειάζεται μια διαδικασία περιοδικής επαναφόρτισης. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται “ανανέωση” (refresh). Οι DRAM έχουν μεγάλες χωρητικότητες και μικρότερο κόστος κατασκευής, είναι πιο αργές και έχουν μικρότερη κατανάλωση ισχύος.

Μνήμη RAM σε ολοκληρωμένο κύκλωμα

Το Ο.Κ. μνήμης SRAM ΜΚ6116 είναι στατική μνήμη που κατασκευάζεται από την SGS THOMSON και έχει χωρητικότητα 2048 λέξεων, των 8 bits η κάθε λέξη (2K x 8 bits). Οι ακροδέκτες του ολοκληρωμένου και το σχηματικό του διάγραμμα φαίνονται παρακάτω.