Hradla, klopné obvody RS, Polovodičové paměti

Booleova algebra

• Logická proměnná (1bit)
  • 0 -false F (nepravda) log 0
  • 1 -true T (pravda) log 1

• zabývá se vztahy mezi logickými proměnnými
• vztahy popisují logické fce

Základní logické fce (hradla)

Logický součet OR (v disjunkce)

Zápis -> Y = A+B

Pravdivostní tabulka

  

Logický součin AND (^ konjunkce)

Zápis -> Y = A * B

Pravdivostní tabulka

 

Negace NOT

Zápis -> 

Pravdivostní tabulka

                                                                                                                                               

 

Negovaný logický součet NOR

Zápis -> 

 

Negovaný logický součin NAND

Zápis -> Y = 

Pravdivostní tabulka

 

Nonekvivalence (exklusive or) XOR

 Zápis -> 

Pravdivostní tabulka             

-pomocí log. Členu XOR je realizována poloviční sčítačka (sčítání na nejnižším bitu)

 

Ekvivalence XNOR

komutátor

Zápis -> 

Pravdivostní tabulka

 

 

Logický obvod

• je obvod, kde každá veličina na vstupu i na výstupu nabívá v ustáleném stavu jedné ze dvou hodnot a který obsahuje takové prvky u nichž vstupní i výstupní vleličiny nabívají také jedné ze dvou hodnot
• obsahuje logické členy (hradla), které relizují log. fce

rozdělení log. obvodů

1. kombinační log. obvody
   • jsou jednodušší
   • výstupy u těchto obvodů v určitém časovém okamžiku závisý pouze na vstupních hodnotách, to znamená že tyto obvody nemají paměť

logický obvod blokové znázornění

2. Sekvenční logické obvody
   • výstupní hodnota v určitém časovém okamžiku závisí nejen na vstupních hodnotách ale i na poslounosti předcházejících vstupních hodnot
   • tyto obvody mají paměť která zaznamanává vnitřní stavy závislosti
   • na signálech které postupně přicházeli do obvodu

Klopné obvody

posuvné registry

čítače

n - počet vstupů

m - počet výstupů

k - počet místních stavů

Klopné obvody

• nejjednoduší sekvenční obvody
• paměťové členy v logických obvodech
• posuvné registry
• v čítačích
• statistické paměti: paměťovací buňka je realizována klopným obvodem
• úkolem klopných obvdů je zaznamenat přítomnost informace

  Klopné obvody dělíme:

1. bistabilní
   • dva stabilní stavy
   • první stabilní stav přechází na druhý skokem

Př:

• registry
• dělič frekvence statické Pam obvody

2. monostabilní
   • výstupním signálem je jeden impuls, který vznikne převedením signálu

Př:

• generování jednotlivých impulsů

3. astabilní
   • nemají žádný stabilní stav
   • signály jsou periodické impulsy
   • amplitudy frekvence zavisí na paramterech obvodu
   • používají se jako zdroje taktovacích signálů

Klopný obvod RS (KO-RS)

• Nejjednodušší
• Bistabilní
• Asynchronní

Blokové schéma – schematická značka :

 

 

Časový diagram klopného obvodu RS  

Polovodičové paměti a jejich použití

• Paměť – médium (neboli prostředí), které umožňuje uchovávat informaci
• Paměť PC – je zařízení, které slouží k ukládání programů a dat s nimiž počítač pracuje
• Elementární paměť – základní paměťová buňka, která uchovává 1bit informace (0,1)

 

Rozdělení pamětí (v počítači):

• Registry – paměťová místa na čipu procesoru, která jsou používána pro krátkodobé uchování právě zpracovávaných informací, realizovány KO
• Interní (vnitřní) operační paměti – paměti osazené na základní desce, realizují se pomocí polovodičových součástek. Jsou do nich zaváděné právě spouštěné programy nebo jejich části a data se kterými pracují
• Externí (vnější) paměti – jsou realizovaná zařízeními, která používají výměnná média v podobě disků. Záznam do externích pamětí se provádí na elektrickém, magnetickém, nebo optickém principu. Slouží pro dlouhodobé uchování informací a zálohování dat.

 

Parametry pamětí:

1. Kapacita – množství informací, které je možné do paměti uložit. Udává se v Bytech.
2. Přístupová doba – doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku do zpřístupnění požadované informace
3. Šířka přenosu (toku) dat – počet bitů přenášených po sběrnici. Jednotkou bit
4. Přenosová rychlost – je množství dat, které lze z paměti přečíst (zapsat) za jednotku času. Jednotkou [b, B/s]
5. Spolehlivost – střední doba mezi dvěma poruchami paměti
6. Cena za bit – cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit paměti
7. Rozdělení pamětí podle různých hledisek

• Podle délky uchování informace
  • Statické paměti – uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji el. napětí
  • Dynamické paměti – danou informaci ztrácí v době, kdy jsou připojeny k napájení. Informaci je nutné periodicky obnovovat aby nedošlo k její ztrátě (refresh paměti)

 

• Destruktivnost při čtení
  • Destruktivní při čtení – přečtení informace z paměti vede ke ztrátě informace a přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána
  • Nedestruktivní při čtení – přečtení informace žádným způsobem tuto informaci neovlivní

 

• Energetická závislost
  • Energeticky závisle (volatilní) – po odpojení zdroje ztratíme vložené informace
  • Energeticky nezávislé (non volatilní) – po odpojení zdroje se informace neztratí

 

• Přístup
  • Sekvenční (sériový) – SAM (serial access memory). Před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace
  • Přímý (libovolný) – RAM (random access memory). Je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci

 

• Podle možnosti zápisu a čtení
  • Zápis a čtení = RWM (read write memory)
  • Čtení – ROM (read only memory)
  • Cyklus paměti – zápis informace -> její uchování  (zapamatování )-> čtení

 

• Podle technologie
  • Podle typu tranzistoru
    • Bipolární – TTL, ECL
    • Unipolární – (MOS) – PMOS, NMOS, CMOS (LSI, VLSI)

 

Vnitřní paměti:

                Fyzikální princip paměti

• Jedna buňka (elementární ) – tvořena miniaturním el. Prvkem a tento paměťový prvek určitou vlastností celé paměti
• 8 bitů = 1 Byte
• Jednotlivé prvky jsou spojeny řádkovými a sloupcovými vodiči
• Celá paměť organizována do matic

 

Struktura vnitřní paměti

 

• Čtení paměti
  • V dekodéru adres se vybere příslušný adresový vodič (adresa žádaného zadaného místa) a nastaví se na něm hodnota logické jedničky a podle toho jak jsou propojeny paměťové buňky s datovými vodiči (bity 1-4) projde hodnota log. Jedničky po datovém vodiči do zesilovače a na výstup bitu

 

• Zápis do paměti – dekodér adres vybere adresový vodič příslušné zadané adrese a nastavý na něj hodnotu log. Jedničky, potom nastaví bity b₁ – b₄ na hodnoty, které se budou do paměti vkládat

 

Feritové pamětí

• Trvalé
• Základ tvoří feritová jádra (prstence, které jsou protkány vodiči)

 

Hysterezní smyčka feritového jádra

• Feritovými jádry prochází soustava vodičů, která umožňuje čtení a záznam informace
• K překlopení feritového jádra z jednoho stabilního stavu do druhého musí být uvnitř jádra mag. Pole jehož intenzita H je určena hodnotou jmenovitého proudu přepočítaného na jediný vodič
• Směr proudu určuje, do kterého ze stabilních stavů se jádro překlopí
• Přechod feritového jádra z jednoho stabilního stavu do druhého vyvolá ve čtecím vodiči, který prochází překlápěným jádrem, výstupní impulz řádově desítky mV

 

Paměti typu ROM

• Pouze ke čtení informací
• Static
• Energeticky nezávislé
• BIOS

 

1. ROM

• Programování u výrobce
• Drahé paměti
• Výroba se vyplatí při velkém množství (>10k)

2. PROM (programable)

• Ve speciálním zařízení
• Natrvalo

 

Přepálení proud 10 mA

 

Zapojení pomocí spojek

 

a)      Bipolární tranzistor          b), c) unipolární tranzistor           d)polovodičová dioda

 

 

3. EPROM (Erasable PROM)

• Paměť je realizována tranzistory typu MOSFET s plovoucím hradlem
• Informaci drží 10 let
• Uživatel si programuje paměť sám ve speciálním programátoru
• Opatřena křemíkovým okénkem, které slouží k mazání paměti
• Statická, energeticky nezávislá – pouze větvení

4. EEPROM (Elextrically EPROM)

• Mazatelná el. Signálem
• Před zápisem je potřeba vymazat
• Statická, energetická, pouze ke čtení
• NMOS – unipolární tranzistor

5. Flash EEPROM – mžikové

• Rychlé

 

Paměti RWM – RAM

• Read and write
• SRAM (statické)
• DRAM (dynamické)

 

1. SRAM

• Paměťová buňka je tvořena bistabilním klopným obvodem
• Nízká přístupová doba 7,5 – 15 ms
• Realizovány tranzistory TTL
• použití: cache paměti

2. DRAM

• Paměťová buňka tvořena miniaturním kondenzátorem
• Refresh pamětí (ztráta informací)
• Větší kapacita, pomalejší (60-70 ms)

 

Realizace jedné buňky paměti DRAM v technologii TTL

• Zápis: na adresový vodič se přivede hodnota logická 1. Tím se tranzistor T otevře. Na datovém vodiči je umístěna zapisovaná hodnota (např. 1). Tato hodnota projde přes otevřený tranzistor a nabije kondenzátor. V případě zápisu nuly dojde pouze k případnému vybití kondenzátoru (pokud byla dříve v paměti uložena hodnota 1).
• Čtení:  na adresový vodič je přivedena hodnota logická 1, která způsobí otevření tranzistoru T. Jestliže byl kondenzátor nabitý, zapsaná hodnota přejde na datový vodič. Tímto čtením však dojde k vybití kondenzátoru a zničení uložené informace. Jedná se tedy o buňku, která je destruktivní při čtení a přečtenou hodnotu je nutné opět do paměti zapsat.

 

Rozdělení DRAM pamětí podle režimů

1. SDRAM (synchronous DRAM)

• Pracují na stejném principu jako je takt na základní desce
• Vybavovací doba 8-10 ms
• Použití: u modulů SRAM

133MHZ -> 1,04 GB/s (3,3V – DIMM SRAM)

2.  DDR (Double Datarate Rate)

• Pracují na náběžné i sestupní hraně
• Použití: Pentium 4, Athlony

3. DDR2 (200MHz)

• Pracují na náběžné i sestupní hraně

200Mhz -> 800Mhz (1,8 V)

 

4. DDR3

• 1,5 V
• F – 1600 MHz -> 12,86 GB/s
• F – 1333 MHz -> 10,66 GB/s
• Intel COre 2
• AMD     16GB
• Použití na serverech

 

5. RDRAM (Rambus DRAM)

400 MHz (16b) -> 800 MHz -> 1,6 GB/s

• Dva kanály pro přenos (3,2 GB/s)

 

Fyzická organizace OP

• Bank (slot na motherboard)
• Pouzdra DIP (PCIXT -> I8086, PCIAT -> I80286)
• SIMM – Pentium
• DIMM (Dual Inline Memory Module)
  • Staré PC (168 pinů – 64b)
  • 3,3 V
  • F – 66; 100; 133MHz -> PC66; PC100; PC133
• DDR DIMM (Double Datarate DIMM)
  • 184 pinů
  • 2,5 V
• DDR2 DIMM
  • 1,8 V
  • Vyšší frekvence 400MHz
  • 240 pinů
• RIMM (Rembus Inline Memory Module)
  • 184 pinů
  • Paměťové typy jsou uspořádány sekvenčně
  • Neobsazené patice musí být osazeny propojovacím modulem
  • 16b

 

Druhy paměťových modulů

• Paměťové moduly existují v několika provedeních
• ECC – Samoopravný kód
• NeECC (NonECC) – PC
• Registered moduly -> I/O buffery
  • Buffer – vyrovnávací paměť při přenosu dat, zvyšující stabilitu a spolehlivost přenosu dat
• Unbuffered
• DDR Dual channel
  • Ke zvýšení propustnosti dat mezi chipsetem a OP se používá dvojité uspořádání paměťových kanálů

Intel – severní most <-> OP                                                     AMD – Procesor <-> OP

  

Dvoukanálový řadič paměti:

• Se do režimu z dvojitou propustností přepne pouze jsou-li splněny následující podmínky:

1. Moduly se musí osazovat v párech
2. Oba dva kanály musí být osazeny stejným typem paměťového DIMMu (Dual channel kit)
3. Každý DIMM musí být umístěn na jinou sběrnici