RAMs, ROMs, Mikroprozessoren und Mikrorechner

Lehrbehelf für Prozessregelung und Rechnerverbund, 3. Klasse HTL
Speicher: RAMs, ROMs PROMS, EPROMs, EEPROMs, Flash EPROM
RAMs (Random Access Memory) - Schreib-Lese-Speicher
RAMs sind Speicher mit der Aufgabe, binäre Daten für eine bestimmte Zeit zu speichern. Diese
Schaltkreise sind als Arbeitsspeicher des PCs bekannt. Man nennt RAMs flüchtige Speicher, weil sie
nach Ausfall der Betriebsspannung ihren Speicherinhalt verlieren.
Statische RAMs setzen sich aus 1-Bit Speicherelementen, und zwar Flipflops (D-Latch) zusammen.
- Battery Back-up möglich
- hohe Geschwindigkeit
- beliebig oft überschreibbar
D
D
Q
C
X
1-Bit Speicher
Q
Y
WE
CE
Der Leseverstärker (mit Open Collector oder Tristate Ausgang ausgeführt), WE (Write Enable=1 ->
schreiben) und CE (Chip Enable = Strobe = CS = Chip Select) werden von allen Speicherzellen am
Chip gemeinsam benutzt.
Dynamische RAMs (DRAMs) setzen sich aus 1-Bit Speicherelementen zusammen, die Ladung eines
Kondensators wird für die Speicherung von Informationen verwendet.
Durch Leckströme bedingt, fließen Ladungen vom Kondensator ab und verändern so möglicherweise
die Information einer Bitstelle. Bei dynamischen Speichern müssen die Ladungsverluste der
Kondensatoren ausgeglichen werden, bevor die in ihnen gespeicherte Information verloren geht.
- müssen aufgefrischt (refresh) werden, zusätzlich erforderliche Auffrischlogik
- hohe Integration, hohe Speicherdichten, klein
- kleiner Energieverbrauch
- einfacher, preisgünstiger Aufbau
Weitere Typen:
- SDRAM (synchronous DRAM)
- DDR (Double Data Rate)
- RDRAM (Rambus DRAM)
ROMs - Festwertspeicher (Read Only Memory) – herstellerprogrammiert, maskenprogrammiert
•
•
Hat das angewählte Speicherelement eine 0 als Inhalt,
wird die Datenleitung auf
Masse und damit auf L gelegt,
weil der Transistor (oder Diode)
durchgesteuert ist.
Hat das angewählte Datenelement
eine 1 als Inhalt, dann bleibt
die Datenleitung auf H - Pegel.
Es fehlt die Verbindung zur
Masse.
Speicher: RAMs, ROMs, EPROMs
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Festwertspeicher erhalten nicht löschbare
und nicht änderbare Daten, die vom
Hersteller eingegeben werden.
Ein ROM kann mit einem Buch verglichen
werden, er ist jederzeit lesbar.
In einem ROM speichert man häufig benötigte
Daten, etwa Steueranweisungen, Programme,
Kennlinien und Kennlinienfelder, Tabellen usw.,
die nicht verändert werden müssen.
Solche Festwertspeicher nennt man maskenprogrammierbare Festwertspeicher. Die gespeicherten Daten werden bereits bei der Herstellung eingebracht. Die Übersicht zeigt
das Datenblatt eines ROM.
Speicher: RAMs, ROMs, EPROMs
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PROM (Programmable ROM) Programmierbare Festwertspeicher - anwenderprogrammiert
Ein Programmiergerät kann in den angewählten Speicherelementen Transistoren (Dioden)
wegbrennen, sodass eine 1 gespeichert wird. Eine solche Programmierung ist irreversibel.
EPROM (Erasable PROM) - Löschbare programmierbare Festwertspeicher
Gesamtlöschung durch UV-Licht.
EEPROM (Electrical EPROM)
Beim EEPROM können einzelne Speichereinheiten elektrisch gelöscht und neu beschrieben werden.
- Langsamer Schreibzyklus
- Elektrisch programmierbar und löschbar (Anzahl begrenzt)
- Keine Batterie ist notwendig
- Kleinere Speichergrößen als ROMs und RAMs
Flash EPROM
Sie bieten die Möglichkeit, den Speicher elektrisch blockweise zu löschen.
Beim Flash Speicher muss man um ein einziges Bit zu ändern, immer einen gesamten Block löschen
und neu beschreiben.
Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Aktualisierung der Firmware erfolgen, ohne dass das Gerät
geöffnet werden muss (Anwendung: Update PC-BIOS).. Flash-Speicher haben eine begrenzte
Lebensdauer. Hersteller geben zur Zeit bis zu einer Million Schreib-/Lesezyklen an. Durch
Reserveblöcke und Fehlerkorrektur ist eine Lebensdauer von 60 bis 100 Jahren zu erzielen.
Eine maximale Schreibgeschwindigkeit von 10 MByte/s erreicht der AND-Flash-Speicher HN29V1G91
von Hitachi. Somit sind etwa 13 Sekunden erforderlich, um die gesamten 128 MByte (1 Gbit) des Chips
zu beschreiben.
- Vor- und Nachteile wie EEPROM
- Ist nur blockweise löschbar
Aufbau von Speichern, insbesondere RAMs
Speicher werden in Matrizenform aufgebaut. Das erfolgt durch Zusammenschalten der einzelnen
Speicherzellen. Jedes Speicherelement ist über die Koordinatenleitungen einzeln anwählbar. Aufgrund
seiner festen Position in der Matrixstruktur hat es auch eine Adresse. Damit ist jedes Bit (oder Byte oder
Word) adressierbar.
Möchte man z.B. den Speicherinhalt des Speicherelements 2-4 auslesen, dann müssen die
Koordinatenleitungen X2 und Y4 ein H erhalten. An den Schreib - Lese - Leitungen liegt das
Ausgangssignal Q an.
Statische und dynamische RAMs werden mit verschiedenen Speicherkapazitäten und in verschiedenen
Organisationsformen angeboten.
Speicherkapazität von 16 x 1 Bit
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32 x 8 - Bit – Speichers:
Der Speicher enthält 32 Speicherzellen zu
je 8 Bit. Jede 8 - Bit - Einheit ist über eine
Adresse anwählbar. Die 8 Bit einer
Speicherzelle werden jeweils gemeinsam
geschrieben und gelesen.
256 x 1 Bit – Speicher,
Multiplexen von Adressleitungen:
Dieser benötigt 16 X- und 16 YKoordinatenleitungen. Allein diese 32
Leitungen nach außen zu führen, wäre
wegen der vielen Anschlüsse
technologisch sehr schwer zu bewältigen.
Deshalb wird ein Adresskodierer
verwendet. Für 16 Koordinatenleitungen sind
wegen 16 = 24 nur 4 Adressleitungen
notwendig. Das bedeutet, dass die Adresskodierer in
den Schaltkreis integriert werden müssen.
16 kBit x 1 - Bit – Speicher:
Es müssen 16384 Bit anwählbar sein.
Dazu sind 128 X - und 128 Y – Koordinatenleitungen erforderlich. Für 128 Koordinatenleitungen benötigte man wegen 128 = 27
genau 7 Steuerleitungen.
Damit wäre die gesamte Adressierung
über 14 Leitungen nach außen zu führen.
Da am Schaltkreis noch weiter Anschlüsse
für Daten und Steuerleitungen angebracht
werden müssen, wird in solchen Fällen
das Multiplexverfahren angewendet.
An die Eingänge A1 bis A7 wird zunächst
die X - Adresse angelegt. Danach wird an
die selben Eingänge die Y - Adresse angelegt.
Die Umschaltung erfolgt mit einem Steuersignal St.
Das Multiplexen der Adressleitungen
erlaubt die Verwendung kleiner IC - Gehäuse.
St
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Auswahl eines Speichers, Speicherkenngrößen:
Speicherkapazität:
Anzahl der Speicherelemente und damit der speicherbaren Bit
Speicherorganisation: Art der Speicherkapazität einer Speicherzelle und deren
Anwahlmöglichkeit
Zugriffszeit:
Zeit von der Adressierung bis zur Verfügbarkeit der Daten am Datenausgang
Zykluszeit:
Kürzeste Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schreib- Lesevorgängen
Leistungsbedarf:
Gesamtleistungsbedarf in Betrieb und bei Ruhe
Elektrische Betriebsbedingungen:
Versorgungsspannung, Signalpegel, Toleranzbereiche, Grenzwerte
Arbeitstemperaturbereich: 0-70 Grad C
Unterschiedlich organisierte Speicherbausteine:
Speicherkapazität (Bit) Organisation Art
Typ (Beispiel)
Hersteller (Beispiel)
1M
128 K * 8
SRAM
M5M51008P-12
Mitsubishi
1M
64 K * 16
EPROM M27C1024-15XF1 SGS-Thomson
4M
256 K * 16
DRAM
PD424260LE-80
NEC
1M
256 K * 4
DRAM
PD424256C-10
NEC
1M
1M*1
DRAM
TC511000AP-10
Toshiba
Eine Speicherzelle wird oft auch als Speicherwort bezeichnet. Ein Speicherwort besteht dann aus 16, 8,
4 oder 1 Bit (übliche Werte). Ein acht-Bit-Speicherwort heißt Byte; ein vier-Bit-Speicherwort Nibble.
Speicher-Module
Im PC-Bereich gibt es unterschiedliche Typen von Modulen
· SIP (16-Bit-Datenbus, selten),
· SIMM (16-Bit-Datenbus, 30polig),
· PS/2 (32-Bit-Datenbus, 72polig)
· DIMM (64-Bit-Datenbus, neueste Version, 168polig),
die untereinander nicht austauschbar sind.
Speicherhierarchie
Kapazität und Zugriffszeit gebräuchlicher Speichermedien:
Speicher: RAMs, ROMs, EPROMs
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