Для хранения больших массивов информации предназначены запоминающие устройства (ЗУ), выполненные в виде БИС, в каждой из которых может храниться информация объемом в тысячи бит.

ЗУ, допускающее независимое обращение к любой ячейке памяти, называется памятью с произвольным доступом. Память с последовательным доступом допускает только последовательное обращение к ячейкам памяти. В последовательной форме хранится информация на магнитной ленте. Память на основе полупроводниковых микросхем является памятью с произвольным доступом.

По выполняемым функциям различают следующие типы полупроводниковых ЗУ:

- оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);

- постоянные запоминающие устройства (ПЗУ);

- перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).

ОЗУ предназначено для использования в условиях, когда необходимо выбирать и обновлять хранимую информацию. Вследствие этого в ОЗУ предусматриваются три режима работы: режим хранения при отсутствии обращения к ЗУ, режим чтения информации и режим записи новой информации. При этом в режимах чтения и записи ОЗУ должно функционировать с высоким быстродействием (время чтения или записи составляет доли микросекунды). В цифровых вычислительных устройствах ОЗУ используются для хранения промежуточных и конечных результатов обработки данных. При отключении источника питания информация в ОЗУ теряется. В условном графическом обозначении функция ОЗУ задается комбинацией символов «RAM» – random access memory (память с произвольным доступом).

В качестве элементной базы для построения ОЗУ могут быть использованы БИС ОЗУ как статического, так и динамического типов. В БИС статических ОЗУ (SRAM – static RAM) каждая запоминающая ячейка построена на основе триггера, состояние которого определяется значением (нуль или единица) хранимого бита данных. В БИС динамических ОЗУ (DRAM – dynamic RAM) ячейка памяти выполнена на основе конденсатора, а значение бита данных определяется наличием или отсутствием на нем заряда. Запоминающие ячейки в БИС динамических ОЗУ занимают значительно меньшую площадь, чем в статических. Поэтому при одинаковой технологии изготовления в одной БИС динамического ОЗУ удается разместить значительно больше элементов, чем в БИС статического ОЗУ. Соотношение количества ячеек БИС динамического ОЗУ к количеству ячеек БИС статического ОЗУ при равных объемах кристалла равно 16:1 и более, т.е. БИС динамической памяти имеет в 16 раз большую информационную емкость, чем БИС статической памяти. Стоимость хранения одного бита информации в БИС ОЗУ динамического типа также меньше, чем в БИС ОЗУ статического типа. Однако динамические ОЗУ требуют в процессе работы периодического восстановления заряда (регенерации) на запоминающих конденсаторах. Для построения узла регенерации требуется введение дополнительных микросхем, что может свести на нет преимущества БИС памяти динамического типа. Особенно это заметно, если требуемый объем памяти мал. Поэтому БИС динамических ОЗУ целесообразно использовать только при построении оперативной памяти с большой информационной емкостью.

ПЗУ предназначено для хранения некоторой однажды записанной в него информации, не нарушаемой и при отключении источника питания. В ПЗУ предусматриваются два режима работы: режим хранения и режим чтения. Режим записи не предусматривается. Используется ПЗУ для хранения программ или констант, с которыми цифровое устройство функционирует длительное время, многократно выполняя действия по одному и тому же алгоритму при различных исходных данных. В условном графическом обозначении в общем случае функция ПЗУ задается сочетанием символов «ROM» - read only memory (память только с функцией чтения).

ППЗУ (EPROM – Erase programmable ROM) в процессе функционирования цифрового устройства используется как ПЗУ. Оно отличается от ПЗУ тем, что допускает обновление однажды записанной информации, т. е. в нем предусмотрен режим записи. Однако в отличие от ОЗУ запись информации требует отключения ППЗУ от устройства, в котором оно функционирует, и производится с использованием специально предназначенных для записи устройств – программаторов. Кроме этого запись в ППЗУ занимает значительное время. ППЗУ дороже ПЗУ и их применяют в процессе отладки программного обеспечения цифрового вычислительного устройства, после чего их можно заменить более дешевыми ПЗУ.

ЗУ содержит некоторое число N ячеек памяти, в каждой из которых может храниться слово с определенным числом разрядов n. Ячейки последовательно нумеруются двоичными числами. Номер ячейки называется адресом. Если для представления адресов используют комбинации m-разрядного двоичного кода, то число ячеек памяти в ЗУ может составить N=2^m.

Количество информации, которое может храниться в ЗУ, определяет его емкость. Емкость M можно выразить числом ячеек N с указанием разрядности n хранимых в них слов в форме N×n, либо ее можно определять произведением N·n, т.е. M=N·n бит. Разрядность ячеек выбирают кратной байту (1 байт = 8 бит). Тогда и емкость удобно представлять в байтах. Большие значения емкости часто выражаются в единицах K=2¹⁰=1024, М=2²⁰=1048576 и Г=2³⁰=1073741824. Например, M=64кбайт определяет емкость равную M=64×1024байт=64×1024×8 бит.

Быстродействие ЗУ (время обращения) характеризуется двумя величинами:

- временем выборки t_в, представляющим собой интервал времени между моментом подачи сигнала выборки и появлением считываемых данных на выходе;

- циклом записи t_цз, определяемым минимально допустимым временем между моментом подачи сигнала выборки при записи и моментом, когда допустимо последующее обращение к памяти.

ЗУ строятся из набора однотипных микросхем ЗУ с определенным их соединением. Каждая микросхема ЗУ кроме времени обращения и емкости характеризуется потребляемой мощностью, набором питающих напряжений, током потребления. Микросхемы ППЗУ дополнительно характеризуются временем хранения записанной информации, по истечении которого хранящаяся в ячейках информация может самопроизвольно изменяться, а также допустимым количеством циклов перезаписи, после чего микросхема является негодной для использования.

Общие принципы и характеристики аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований

В большинстве случаев информация о физических процессах и явлений представляется в аналоговой форме. В аналоговой же форме должны формироваться и управляющие воздействия на различные объекты, подвергающиеся анализу, контролю или управлению. Для возможности осуществлять обработку полученной с датчиков аналоговой информации цифровыми методами необходимо выполнить преобразование этой информации к виду, доступному к «пониманию» цифровыми устройствами. Подобное преобразование называется аналого-цифровым. Обратное преобразование, заключающееся в переводе информации, полученной с выходов цифрового устройства к виду непрерывной функции времени или иного ее параметра, называется цифро-аналоговым. Соответственно устройства, выполняющие такие преобразования, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Из рассмотренных ранее типов цифровых устройств очевидно, что входная информация для них должна характеризоваться дискретностью (конечным количеством) своих значений (кодов). Поскольку наиболее удобной формой информации для обработки средствами электронных устройств являются напряжения и токи, изменяющиеся во времени, то в качестве дискретных значений этих сигналов можно выбрать как дискретные значения времени, так и дискретные уровни напряжений или токов. На рис. 18.1,а представлена зависимость входного аналогового напряжения u _а(t) в качестве информационного сигнала, получаемого от объекта с помощью некоторого первичного преобразователя (датчика). Исходный сигнал характеризуется непрерывностью значений как по времени, так и по уровню напряжения. Задав n равных промежутков времени T _д, можно выделить конечную последовательность импульсов с амплитудами u _д(n_iT _д), точно соответствующими значениям напряжений u _а(t) в эти моменты времени.

Таким образом, реализуется свойство дискретности сигнала по времени. По уровню напряжения импульсы сохраняют свойства непрерывности, поскольку амплитуда u _д(n_iT _д) этих импульсов может принимать произвольные значения. Такая форма преобразования аналогового сигнала называется дискретизацией по времени, а время Т_д – периодом дискретизации.

Если в качестве дискретных выбрать m уровней напряжений, то функция u _а(t) вырождается в ступенчатую функцию u _к(mQ), где каждый следующий потенциал отличается от предыдущего на одинаковую величину Q, называемую квантом (рис. 18.1,б). Поскольку функция u _а(t) может иметь произвольную, необязательно линейную форму, то, очевидно, что пересечения этой функции с квантованными уровнями m_jQ будут наблюдаться в неравные промежутки времени Dt_i=t_i-t_i-1. При этом значения функций u _а(t_i) и u _к(m_jQ) в моменты времени t_i будут совпадать, а сами моменты времени t_i могут быть произвольными и определяться формой u _а(t) и выбранными уровнями m_jQ. Отсюда следует, что ступенчатая функция u _к(mQ) сохраняет свойство непрерывности по времени. Такое преобразование аналогового сигнала носит название квантование по уровню.

Поскольку понятие «непрерывности» значений по сути равносильно понятию «бесконечности», то фиксация таких значений техническими средствами не представляется возможной. Поэтому, при построении устройств аналого-цифрового преобразования используется подход дискретизации обоих параметров – и времени и уровня. Это означает, что диапазон, в котором изменяется функция u _а(t), разбивается на m квантованных уровней m_jQ с равным шагом Q. При этом преобразование осуществляется только в фиксированные моменты времени t_i с равными периодами дискретизации Т_д (рис. 18.1,в). Вполне очевидно, что в эти моменты времени функция u _а(t) может либо не достичь некоторого уровня m_jQ, либо превысить его, т.е. возможно несовпадение исходной функции с заданными квантованными уровнями. Поэтому в качестве значений ступенчатой функции u _д,к(n_iT _д, m_jQ) в моменты времени t_i выбираются округленные до ближайшего уровня m_jQ значения исходной функции u _а(t). Очевидно, что для такого типа преобразования характерно наличие погрешности округления e, которая определяется величиной ±Q/2.

Для того чтобы проведенное преобразование стало аналого-цифровым, в соответствие значению каждого уровня m_jQ необходимо присвоить цифровой код X_j, в большинстве случаев двоичный. Такой процесс называется кодированием. Обычно цифровой код выбирается равным десятичному эквиваленту номера m_j квантованного уровня. В этом случае максимальному значению кода соответствует значение максимально возможного входного напряжения АЦП за вычетом одного кванта (u _{вх. max}-Q). Объясняется это тем, что одна кодовая комбинация соответствует нулевому значению входного напряжения АЦП.

Рассмотрим основные характеристики устройств аналого-цифрового преобразования.

Разрядность n выходного кода для АЦП и входного – для ЦАП – характеризует количество разрядов для отображения аналоговой преобразуемой величины. Эта характеристика определяет количество квантованных уровней m_jQ=2ⁿ.

Диапазон входного U _вх. или выходного U _вых. напряжений АЦП или ЦАП соответственно. Выражается в единицах Вольт и характеризует полный диапазон входного (выходного) напряжения, которое преобразователь в состоянии отобразить принятым выходным (входным) кодом. Диапазон данного напряжения может быть как однополярным, так и биполярным в зависимости от типа преобразователя.

Разрешающая способность (чувствительность) – значение минимального изменения входного сигнала АЦП, которое вызывает изменение цифрового кода на единицу. Эта характеристика определяется величиной кванта Q и называется еще величиной младшего разряда (МЗР или LSB в англоязычной терминологии). Из-за наличия неопределенности (погрешности) величиной ±Q/2 обычно принимается, что изменение цифрового кода на единицу происходит в средней точке диапазона данного квантованного уровня (рис. 18.2,а). Аналогично для ЦАП разрешающая способность – это минимальное изменение выходного аналогового сигнала, обусловленное изменением входного цифрового кода на единицу.

Напряжение смещения нуля U _см.0 характеризует величину напряжения на входе АЦП, которому соответствует нулевой код на выходе (рис. 18.2,б). Соответственно для ЦАП напряжение смещения нуля – это величина выходного напряжения при нулевом входном коде. Напряжение смещения нуля характеризует аддитивную погрешность преобразователя. Часто U _см.0 выражается в единицах МЗР.

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δ U_f характеризует отклонение реального максимального входного напряжения для АЦП или выходного для ЦАП от идеального значения, определенного технической документацией преобразователя (рис. 18.2,в). Данная величина определяет угол наклона реальной передаточной характеристики и мультипликативную погрешность преобразователя. Также как и U _см.0 часто выражается в единицах МЗР.

Интегральная нелинейность δU_L характеризует максимально возможное отклонение реальной передаточной характеристики АЦП (ЦАП) от заданной идеальной при нулевых значениях U _см.0 и δU_f (рис. 18.2,г). Выражается в единицах МЗР или в процентах по отношению к максимальному входному (выходному) напряжению преобразователя.