Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 8: BỘ NHỚ ROM VÀ RAM.

CHƯƠNG 8: BỘ NHỚ ROM VÀ RAM.

Tải bản đầy đủ - 0trang

Trong chương này sẽ giới thiệu về bộ nhớ bán dẫn được sử dụng làm bộ nhớ chính

trong các máy tính nhờ vào khả năng thỏa mãn tốc độ truy xuất dữ liệu của bộ xử lý trung

tâm (CPU) đó là bộ nhớ ROM , RAM. Chương trước ta đã tìm hiểu về FliFlop, một linh

kiện điện tử có tính nhớ và hợp các FF này thành thanh ghi để lưu trữ và dịch chuyển dữ

liệu. Các FF chính là các phần tử nhớ tốc độ cao được dùng rất nhiều trong việc điều

hành bên trong máy tính.

Tiến bộ trong công nghệ chế tạo cho phép một lượng lớn FF tích hợp trong một chip

tạo thành các bộ nhớ với các dạng khác nhau. Những bộ nhớ bán dẫn với công nghệ chế

tạo transistor lưỡng cực (BJT) và MOS là những bộ nhớ nhanh nhất và giá thành liên tục

giảm khi các công nghệ LSI và VLSI ngày càng được cải tiến.

Dữ liệu số cũng có thể được lưu trữ dưới dạng tích điện của tụ, và một số phần tử nhớ

bán dẫn đã dùng nguyên tắc này để lưu trữ dữ liệu với mật độ cao nhưng tiêu thụ điện

năng rất thấp. Bộ nhớ bán dẫn ROM, RAM dùng làm bộ nhớ trong của máy tính, ngồi ra

còn có bộ nhớ ngoài như: Băng từ, CD ROM, đĩa mềm, bộ nhớ di động.

Chương này quan tâm đến cấu trúc và chức năng của bộ nhớ bán dẫn, nội dung gồm:

1. Khái niệm

2. Cấu tạo của ROM.

3. Cấu tạo của RAM

4. Các loại bộ nhớ khác.



1. Khái niệm :

1.1 Đặc điểm bộ nhớ :



Là một thiết bị có thể ghi và chứa thông tin. ROM, RAM, Cache, Hard disk, Floppy

disk, CD.... đều có thể gọi là bộ nhớ (vì nó vẫn lưu thông tin). Bộ nhớ là thành phần quan

trọng thứ hai trong hệ thống máy tính, khơng có bộ nhớ thì máy tính khơng thể hoạt động

được. Chẳng hạn trong máy tính, các con số cần thiết trong phép tốn phải được lưu trữ

ngay trong máy. Còn các thiết bị điều khiển số thì lệnh điều khiển cũng phải được lưu trữ

để thực hiện dần theo một trình tự nào đó. Vì vậy, bộ nhớ là một thành phần không thể

thiếu được của các thiết bị số. Dù là loại nhớ nào cũng nên để ý đến các tính chất sau đây:





Dung lượng (Sức chứa): Cho biết khả năng lưu trữ dữ liệu của thiết bị. Để xác định

dung lượng nhớ ta thường dùng đơn vị là số bít (hoặc kilobit hoặc megabit). Dung

lượng liên quan mật thiết đến giá thành của bộ nhớ. Giá thành này được đánh giá theo

tiêu chuẩn: chi phí/ bit.

Ví dụ: CD chứa được 650MB-700MB, Floppy disk chứa được 1.4MB, Cache chứa



được 256KB...

 Tốc độ truy nhập: Cho biết mức độ xử lý thông tin nhanh hay chậm, đây là phần





quan trọng quyết định tốc độ truy cập của thiết bị.

Interface: Cho biết khả năng tương thích giữa cấu trúc bên ngồi của bộ nhớ với các

thiết bị khác trong hệ thống.

Ví dụ: Nhiều loại RAM trên thị trường có số chân cắm và đặc tính khác nhau,để phù



hợp với motherboard ta nên xem xét motherboard trước khi mua memory.

 Thời gian thâm nhập (access time): Thời gian này gồm có 2 phần

- Thứ nhất là thời gian cần thiết để xác định vị trí chính xác của từ (thời gian tìm từ)

-



trong bộ nhớ

Thứ hai là thời gian cần thiết để lấy dữ liệu ra khỏi bộ nhớ. Thời gian thâm nhập

(viết tắt là at) là một thông số quan trọng của bộ nhớ, nếu nó kéo dài thì sẽ làm

giảm khả năng làm việc của thiết bị vì thiết bị chỉ hoạt động được chừng nào



chúng nhận được dữ liệu mà thôi.

 Bộ nhớ thường được chia làm hai loại căn cứ vào hai tính chất vừa nêu trên là bộ nhớ

chính và bộ nhớ phụ.

- Bộ nhớ chính: Bộ nhớ chính nằm gần các bộ xử lý dữ liệu và cần có access time

(at) rất ngắn (≤ µsec) với dung lượng khơng cần lớn lắm (vài chục kilobit là có thể

được). Phần này chứa các dữ liệu, thông tin, hoặc các lệnh cần ngay cho công tác.



-



Bộ nhớ phụ: Bộ nhớ phụ không cần thiết phải nằm gần thiết bị, at có thể lớn (tới

ms) nhưng lại cần có dung lượng lớn (từ hàng chục kilobit trở lên, có thể đến hàng

chục megabit) để lưu trữ các thông tin chưa cần ngay hoặc các kết quả vừa được



xử lý xong. Chúng có tính chất như một thư viện.

 Bộ nhớ có khả năng lưu trữ, khi sử dụng ta phải ghi dữ liệu vào (thường gọi là viết

vào) hoặc lấy dữ liệu ra (thường gọi là đọc ra). Việc viết và đọc như vậy thường bao

gồm cả việc xác định vị trí của mỗi từ trong bộ nhớ. Mỗi từ (trong bộ nhớ) phải có

một vị trí riêng được xác định bởi một mã số gọi là địa chỉ của từ. Như vậy bộ nhớ





cần phải có mạch để xác định địa chỉ của mỗi từ trước khi đọc hay viết.

Ta có thể xố các dữ liệu cũ trong bộ nhớ để viết vào đó dữ liệu mới, loại bộ nhớ như

vậy gọi là bộ nhớ đọc - viết (Read - Write Memory). Sở dĩ phải gọi như thế là vì cần

phải phân biệt với một loại bộ nhớ khác có chứa sẵn các dữ liệu, khi sử dụng ta cần

đọc ra mà khơng viết gì vào được. Với loại bộ nhớ này dữ liệu được ghi vào trong quá

trình chế tạo, sau đó nội dung của bộ nhớ được lưu trữ vĩnh viễn trong bộ nhớ mà

không thay đổi được. Loại này gọi là bộ nhớ chỉ đọc (Read Only Memory) ứng dụng

của loại này thường là để chứa các lệnh điều khiển cho sự hoạt động của thiết bị mà

các lệnh này khơng cần thay đổi trong q trình làm việc khác nhau. Nằm giữa hai

loại bộ nhớ nói trên còn có một loại bộ nhớ khác, chúng giống như bộ nhớ đọc viết ở

chỗ có thể viết vào bằng phương tiện đặc biệt và sau đó nội dung được lưu trữ vĩnh

viễn cho đến khi ta muốn xoá đi (tất nhiên cũng bằng phương tiện đặc biệt), loại bộ





















nhớ này đôi khi được gọi là bộ nhớ bán cố định (Read Mostly Memory).

1.2 Các thuật ngữ quan trọng:

Memory Cell: Tế bào nhớ có khả năng lưu trữ một bit dữ liệu

Memory Word: Từ nhớ gồm một nhóm các bit, thơng thường một từ có 8 – 64 bit.

Byte: Một nhóm 8 bit, kích thước thường dùng trong máy tính.

Dung lượng: khả năng lưu trữ của bộ nhớ, mơ tả số word có trong bộ nhớ.

„ 1K = 210 word

„ 1M = 220 word

„ 1G = 230 word

„ 2K x 8 = 2.210 x 8 = 2.1024.8 word

Address: Là địa chỉ xác định vị trí của từ (word) trong bộ nhớ.

Read (fetch): Lệnh đọc : Thực hiện việc đọc dữ liệu để cho phép xuất ra từ bộ nhớ.

Write (Store): Lệnh ghi: Thực hiện lệnh cho phép ghi dữ liệu vào bộ nhớ.







RAM: Random-Access Memory: Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên nghĩa là thời gian truy



xuất là như nhau đối với mọi vị trí nhớ.

 SAM: Sequential-Access Memory: Bộ nhớ truy xuất tuần tự, 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 vớ i bộ nhớ RAM.

 ROM: Read Only Memory: Bộ nhớ chỉ đọc, tác vụ ghi khá phức tạp hơn tác vụ đọc.

ROM thuộc loại bộ nhớ vĩnh cữu và dữ liệu vẫn được lưu giữ khi đã cắt nguồn điện.

 RWM: Read/Write Memory, Bộ nhớ có thể viết và đọc

 Static Memory Devices: Bộ nhớ tĩnh, bộ nhớ khơng vĩnh cửu, dữ liệu được lưu khi

còn nguồn cung cấp.

 Dynamic Memory Devices: Bộ nhớ động, dữ liệu không được lưu mãi, để dữ liệu

được lưu trữ ta cần ghi lại (rewritten) dữ liệu theo chu kỳ, được gọi là làm tươi

(Refresh)

 Main (Internal) Memory : Bộ nhớ chính, bộ nhớ làm việc, thường có tốc độ nhanh

 Auxiliary(Mass)Memory: Bộ nhớ thứ cấp để lưu trữ, bộ nhớ phụ có tốc độ chậm.

1.3 Hoạt động và cấu trúc bộ nhớ

Mặc dù mỗi loại bộ nhớ có hoạt động bên trong khác nhau, nhưng chúng có chung

một số nguyên tắc vận hành là mỗi hệ thống nhớ luôn yêu cầu ở các ngã vào và ra để

hoàn thành một số tác vụ (quá trình):

- Chọn địa chỉ trong bộ nhớ để truy xuất (đọc hoặc ghi)

- Chọn quá trình đọc hoặc ghi để thực hiện

- Cung cấp dữ liệu để lưu vào bộ nhớ trong quá trình ghi

- Gửi và nhận dữ liệu ra từ bộ nhớ trong q trình đọc

- Cho phép (Enable) hay khơng cho phép (Disable) bộ nhớ đáp ứng đến địa chỉ và lệnh

thực thi.



Hình 8.1 : Sơ đồ khối của một bộ nhớ dạng chân và dạng BUS





Ngỏ vào địa chỉ: mỗi vị trí nhớ xác định bởi một địa chỉ duy nhất, khi cần đọc dữ liệu ra

hoặc ghi dữ liệu vào ta phải tác động vào chân địa chỉ của vị trí nhớ đó. Một IC có n chân



địa chỉ sẽ có 2n vị trí nhớ. Ký hiệu các chân địa chỉ là A0 đế n An-1

Ví dụ: Một IC có 10 chân địa chỉ sẽ có 1024 (1K) vị trí nhớ .

 Ngã vào/ra dữ liệu: Các chân dữ liệu là các ngã vào/ra, nghĩa là dữ liệu luôn được xử lý

theo hai chiều. Thường thì dữ liệu vào/ra chung trên một chân nên các ngã này thuộc loại

ngã ra 3 trạng thái. Số chân địa chỉ và dữ liệu của một IC xác định dung lượng nhớ.

Thí dụ: Một IC nhớ có 10 chân địa chỉ và 8 chân dữ liệu thì dung lượng nhớ của IC đó là

1Kx8 (8K bit hoặc 1KByte).





Các ngã vào điều khiển: Mỗi khi IC nhớ được chọn hoặc có yêu cầu xuất nhập dữ liệu

các chân tương ứng sẽ được tác động. Ta có thể kể ra một số ngã vào điều khiển:

- CS: Chip select - Chọn chip - Khi chân này xuống thấp IC được chọn

- CE: Chip Enable - Cho phép chip - Chức năng như chân CS

- OE: Output Enable - Cho phép xuất - Dùng khi đọc dữ liệu.

- WR/: Read/Write - Đọc/ghi - Cho phép đọc dữ liệu ra khi ở mức cao và ghi dữ

-



liệu vào khi ở mức thấp.

CAS: Column Address Strobe - Chốt địa chỉ cột

RAS: Row Address Strobe - Chốt địa chỉ hàng.



Trong trường hợp chip nhớ có dung lượng lớn, để giảm kích thước của mạch giải mã

địa chỉ bên trong IC, người ta chia số chân ra làm 2: địa chỉ hàng và địa chỉ cột. Như vậy

phải dùng 2 mạch giải mã địa chỉ nhưng mỗi mạch nhỏ hơn rất nhiều.

Thí dụ: với 10 chân địa chỉ, thay vì dùng 1 mạch giải mã 10 đường sang 1024 đường,

người ta dùng 2 mạch giải mã 5 đường sang 32 đường, hai mạch này rất đơn giản so với

một mạch kia. Một vị trí nhớ bây giờ có 2 địa chỉ: hàng và cột, dĩ nhiên muốn truy xuất

một vị trí nhớ phải có đủ 2 địa chỉ nhờ 2 tín hiệ u RAS và CAS.

1.4 Giao tiếp với CPU máy tính (Central Processing Unit)



Hình 8.2: Sơ đồ giao tiếp bộ nhớ với CPU

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 và mọi hoạt động của bộ nhớ đều do bộ xử lý trung tâm CPU quản lý.

2. Cấu tạo của ROM.

2.1 Khái niệm:



Bộ nhớ ROM ( Read Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc ): đây là bộ nhớ cố định, dữ liệu

không bị mất khi mất điện, bộ nhớ này thường dùng để nạp các chương trình BIOS

( Basic Input Output System - Chương trình vào ra cơ sở ) đây là chương trình phục vụ

cho q trình khởi động máy tính và chương trình quản lý cấu hình của máy.

Các tế bào nhớ hoặc từ nhớ trong ROM sắp xếp theo dạng ma trận, mỗi vị trí chứa

một tế bào nhớ ta nói ROM có tổ chức bit và mỗi vị trí là một từ nhớ ta có tổ chức từ.

Ngồi ra, để giảm mức độ cồng kềnh của mạch giải mã, mỗi vị trí nhớ có thể được

xác định bởi 2 đường địa chỉ: đường địa chỉ hàng và đường địa chỉ cột và trong bộ nhớ

có 2 mạch giải mã nhưng mỗi mạch có số ngã vào bằng 1/2 số đường địa chỉ của bộ nhớ .

ROM là một mạch tổ hợp có n ngõ vào và m ngõ ra . Các ngõ vào được gọi là địa chỉ

(address input) và thường đặt là A0A1…An-1 . Các ngõ ra được gọi là các ngõ ra dữ liệu

(data output) và thường đặt tên là D0D1D2…Dm-1.



Hình 8.3: Sơ đồ khối của ROM 16x8 = 128 bit





Hoạt động đọc: Để đọc một từ dữ liệu từ ROM, ta phải làm như sau

- Áp đầu vào địa chỉ thích hợp (address input)

- Sau đó kích hoạt đầu vào điều khiển. (chip selet )

- Dữ liệu tại địa chỉ đó sẽ được xuất ra ở ngỏ ra (data output)



Ví dụ : muốn đọc dữ liệu tại địa chỉ 0111 của ROM (hình 8.1) ta phải

-



Áp đầu vào địa chỉA3A2A1A0= 0111

Áp dụng trạng thái thấp cho = 0.

Đầu vào địa chỉ được giải mã bên trong ROM để chọn được dữ liệu để giá trị này

sẽ xuất hiện tại đầu ra D7 đến D0



2.2 Cấu trúc bên trong của ROM



Cấu trúc bên trong của ROM rất phức tạp. Gồm có 4 phần cơ bản: mảng thanh ghi, bộ

giải mã hàng, bộ giải mã cột, bộ đệm đầu ra.





Mảng thanh ghi (Resister array): lưu trữ dữ liệu được lập trình vào ROM. Mỗi thanh

ghi gồm một ơ nhớ bằng số kích thước từ. Trong trường hợp này mỗi thanh ghi chứa một

từ 8 bit. Các thanh ghi được sắp xếp theo ma trận vuông, các thanh ghi ở đây là thanh ghi



“ chết ”, không ghi thêm được.

 Vị trí của từng thanh ghi: được định rõ qua số hàng và số cột cụ thể. Các đầu ra dữ liệu

của mỗi thanh ghi được nối vào một đường dữ liệu bên trong chạy qua toàn mạch. Mối

thanh ghi có đầu vào cho phép. Cả hai phải ở mức cao thì dữ liệu ở thanh ghi mới được

phép đưa vào dường truyền.

 Bộ giải mã địa chỉ : Mã địa chỉ A3A2A1A0 quyết định thanh ghi nào trong dãy được phép

đặt từ dữ liệu 8 bit của nó vào đường truyền. Ở đây dùng 2 bộ giải mã: bộ giải mã chọn



hàng (chọn 1 trong 4) và chọn cột. Thanh ghi giao giữa hàng và cột được chọn bởi đầu

vào địa chỉ sẽ là thanh ghi được kích hoạt (cho phép).

Hàng



Ơ Nhơ



A1



Giai ma chon 1 trong 2n đương



A0



Ngăn nhơ



Cột



An-1



Bơ đêm ngo ra



Dm-1



D1



D0



Hình 8.4 : Cấu trúc bên trong của bộ nhớ ROM

 Bộ đệm đầu ra : Thường sử dụng mạch đệm 3 trạng thái, điều khiển bằng chân . Khi ở

mức thấp, bộ đệm đầu ra chuyển dữ liệu này ra ngoài. Khi ở mức cao, bộ đệm đầu ra sẽ ở

trạng thái trở kháng cao, D7 đến D0 thả nổi.

Ví dụ: Địa chỉ vào là 1101 thì thanh ghi nào xuất dữ liệu.

-



Với A3A2 = 11, bộ giải mã cột sẽ kích hoạt đường chọn cột số 3

Với A1A0 = 01, bộ giải mã hàng sẽ kích hoạt đường chọn hàng số 1



Như vậy kết quả là cả hai đầu vào cho phép thanh ghi số 13 sẽ ở mức cao và dữ liệu

của thanh ghi này sẽ được đưa vào đường truyền dữ liệu. Để đơn giản hơn, ta có thể xét

cấu trúc mạch mã hóa ma trận hàng và cột của ROM



Giai



chọ

n1

tron

g4



A0



A1



Hình 8.5: Cấu trúc ma trận hàng, cột của ROM

Quan hệ ngõ vào X và ngõ ra D thể hiện trên bảng sau

A1

0

0



A0

0

1



X

1

0



X1

0

1



X2

0

0



X3

0

0



D0

1

0



D1

1

1



D2

1

0



D3

1

1



1

1



0

1



0

0



0

1



1

0



0

1



1

0



0

1



1

1



0

0



Bảng 8.1: Mơ hình miêu tả cấu trúc ROM

Nhận xét: Cứ mỗi tổ hợp ngõ vào người ta có một tổ hợp ngõ ra tương ứng tùy thuộc vào

cấu trúc của mạch điện.







2.3 Thông số của ROM :

Thời gian trễ do truyền: từ khi lệnh yêu cầu được đưa vào qua ngỏ vào của ROM đến khi



xuất dữ liệu ở đầu ra trong hoạt động đọc. Thời gian này gọi là thời gian truy xuất (tACC)

được biểu diễn ở dạng sóng hình 8.6



Hình 8.6

Giản đồ



thời



gian truy



xuất



dữ liệu của

ROM



Dạng sóng phía trên biểu diễn đầu vào địa chỉ; dạng sóng ở giữa là một tích cực ở mức

thấp; dạng sóng dưới cùng biểu diễn đầu ra của dữ liệu.





Một thông số thời gian khác cũng quan trọng đó là thời gian cho phép ra t OE. Đó là



thời gian trễ giữa đầu vào và đầu ra dữ liệu hợp lệ. Ví dụ:

- tACC ( TTL) : 30 – 90ns.

- tACC ( NMOS) : 200 – 900ns.

- tACC ( CMOS) : 20 – 60ns

- tOE (TTL) :

ROM 10 - 20ns

- tOE ( NMOS) : ROM 25 - 100ns

- tOE ( CMOS) : ROM 10 – 20ns

 Dung lượng của bộ nhớ ROM: với n đường địa chỉ , m đường dữ liệu thì bộ nhớ có

dung lượng được tính là: C = 2n . m (bit nhớ)

2.4 Các loại ROM đặc trưng:





MROM : ROM mặt nạ (Mask Programed ROM)

- Với ROM được lập trình bằng mặt nạ, nhà sản xuất đã ghi (lập trình) các vị trí nhớ

của nó theo u cầu của khách hàng. Một phím âm bản, gọi là mặt nạ được sử

-



dụng để kiểm sốt các mối nối điện trên chip.

Vì mặt nạ rất đắt nên loại ROM này không được mang lại hiệu quả kinh tế. Nhược

điểm của loại ROM này là nó khơng cho phép lập trình lại, vì vậy nó là dạng

ROM đúng nghĩa. Tuy nhiên ROM được lập trình bằng mặt nạ vẫn chỉ là phương

pháp tiết kiệm nhất khi cần trang bị số lượng lớn ROM cùng loại.



Hình 8.7: Cấu trúc bộ nhớ MROM 4x4

Cấu trúc của MROM TTL nhỏ, gồm 16 ô nhớ được sắp xếp thành 4 hàng x 4 cột. Mỗi

ô là một transistor lưỡng cực được kết nối theo cực C chung. Mạch giải mã 1sang 4

đường được sử dụng để giải mã địa chỉ ngõ vào A 1A0 khi chọn thanh ghi hàng để đọc dữ

liệu. Mạch giải mã trạng thái ngỏ ra ở mức cao tác động đến ngõ vào cực B của

Transistor cho phép giải mã hàng để chọn địa chỉ ơ nhớ.

Ví dụ : Một MROM được đùng để lưu trữ bảng giá trị các hàm toán học: y = x 2 + 3, với x

là ngõ vào, y là ngõ ra.

o

o

o



Ta có bảng giá trị sau:

Số X biểu thị qua giá trị A1A0.

Khi x = A1A0 = 102 = 210

Suy ra, y = 22+ 3 = 710 = 01112







PROM:



ROM



cho



phép



lập



trình



(Programmable ROM – PROM) :

PROM có cấu tạo như ROM nhưng có hai đặc điểm khác biệt, đó là:



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 8: BỘ NHỚ ROM VÀ RAM.

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×