Жоғары математика

Оның құрамында бірразрядты  және үшразрядты  санауыштар  орналастырылған. Бұл микросхеманың шықпаларының  қызметі:

-       VCC, GND – қорек көзі мен жердің қосылатын шықпалары;

-       CKA, QA – бірразрядты  санауыштың  кірісі мен шығысы;

-       CKB, QB, QC, QD – үшразрядты  санауыштың  кірісі мен шығыстары;

-       R01, R02 –  санауыштарды  тазарту сигналының шықпасы.

Бұл микросхеманың  құрамындағы  санауыштарды  жеке түрінде де, оларды бір-біріне жалғап, төртразрядты  санауыш  ретінде де пайдалануға болады.Әмбебап  санауыштың  мысалы ретінде Electronics Workbench бағдарламасының элементтер қорындағы 74169 аталымды төртразрядты  санауыштың  сызба белгілемесі көрсетілген (1.30, b-сурет). Бұл микросхеманың шықпаларының  қызметі:

-       VCC, GND – қорек көзі мен жердің қосылатын шықпалары;

-       A, B, C, D – информацияның параллель енгізілу кірістері;

-       LOAD’ – информацияны параллель енгізу сигналының кірісі;

-       QA, QB, QC, QD –  санауыштың  шығыстары;

-       D/U’ – санау бағытын анықтаушы сигнал шықпасы;

-       ENP’, ENT’ – санауышты іске қосу сигналдарының кірістері;

-       CLK – тактілік сигналдың кірісі;

-       RCO’ – санау шегіне жету сигналы.

6 Жадылық құрылғылар

Жадылық құрылғылар (ЖҚ) – информация сақтауға арналған құрылғылар.

6.1 Жадылық құрылғылардың басқару сигналдары

Жадылық құрылғылардың  жұмысы келесі сигналдармен басқарылады:

-       A (Address) – адрес, оның разрядтылығы (n) жады құрылымының ұяшық санымен (N) анықталады. Жады құрылымының ұяшық саны, әдетте, екінің тұтас мәнді дәрежесімен сипатталады. Адрес разрядтылығы жадының ұяшық санына n =log₂N қатынасымен байланысты;

-       CS (Chip Select) немесе CE (Chip Enable) – микросхеманы таңдау немесе іске қосу сигналы;

-       R/W (Read/Write) – сәйкесті операцияны орындату сигналы;

-       DI (Data Input) және DO (Data Output) – кіріс және шығыс деректерінің сигналдары жүретін желілер. Кейбір жады құрылымдарында олар біріктірілген түрінде пайдаланылады.

6.2 Жадылық құрылғылардың басты параметрлері

Жады құрылымдарының жұмыс мүмкіндігі келесі параметрлерімен суреттеледі:

-       информациялық сыйымдылығы – сақталатын информацияның ең жоғарғы көлемі. Ол бит, байт немесе, бірнеше байттан тұратын, сөз санымен сипатталады;

-       ұйымдастырылымы – сақталатын сөз санының олардың разряд санына көбейтіндісі түрінде сипатталады. Мысалы, информациялық сыйымдылығы 2048 бит жады құрылымы 256x8 немесе 128x16 түрінде ұйымдастырылуы мүмкін;

-       тезәрекеттілігі – оқу, жазу операцияларының және оқу/жазу циклының ұзақтығымен бағаланады. Қазіргі заманғы, сөз тобымен (бумасымен) жұмыс істейтін, жады құрылымдарында айтылған дәстүрлі параметрлермен қатар бастапқы байланыс уақыты (Latency) және буманың келесі сөздерінің жіберілім қарқыны (Bandwidth) аталымды жаңа параметрлер енгізілген;

Екі сигналдың (A және B) уақытқа қарай өзара орналасымына байланысты келесі параметрлер беріледі:

-       t_SU(A–B) – екі сигналдың басталым мезгілдерінің аралығымен сипатталатын, алғы қойылым уақыты;

-       t_H(A–B) – A сигналының басталымы мен B сигналының аяқталым  мезгілдерінің аралығымен сипатталатын, ұсталым уақыты;

-       t_V(A–B) – екі сигналдың аяқталым мезгілдерінің аралығымен сипатталатын, сақталым уақыты;

-       t_W – сигнал ұзақтығы.

5.3 Жадылық құрылғылардың негізгі түрлері

Жадылық құрылғылар, өзара қайшы келетін, басты параметрлерінің (информациялық сыйымдылығы мен тезәректтілігінің) шамасына қарай, келесі түрлерге бөлінеді:

-       регистрлі жады, олар процессордың немесе сол сияқты үлкен құрылымдардың құрамында (яғни, олардың ішкі блогы ретінде) орналастырылады; сондықтан процессор сыртында жүзеге асырылған, баяу істейтін жады құрылымдарына байланыс саны кемиді де, жалпы құрылымның жұмыс жылдамдығының көтерілуіне жағдай жасалады;

-       кэш-жады, онда кезекті алмасу операцияларында пайдаланылатын информацияның көшірмесі сақталады, сондықтан олардың қайта қажет болуында шығарылуы тезірек орындалады;

-       негізгі жады (жұмыс жадысы, тұрақты жады), ол процессормен тікелей алмасу режимінде істейді және оның тезәрекеттілігі процессормен мүмкіндігінше, келістірілген;

-       сыртқы жады, олар информациялық сиымдылығы жағынан, ең көлемді құрылымдар, бірақ, олардың тезәрекеттілігі (қозғалмалы құрылғылар негізінде құрылатындықтан) басқа жады түрлерімен салыстырғанда өте төмен болады.

Жадылық құрылғылар, деректерге  шығу тәсіліне қарай келесі түрлеріне бөлінеді:

-       сілтеу арқылы шығарылымды ЖҚ;

-       тізбекті шығарылымды ЖҚ;

-       танымалды шығарылымды ЖҚ.

Сілтеу арқылы шығарылымды ЖҚ-лар RAM (Random Access Memory) және ROM (Read Only Memory) түрлеріне бөлінеді. RAM түрлі ЖҚ-ларда кезекті бағдарламаның орындалуы кезіндегі алмасуға қатысты, кез келген уақытта өзгеретін деректер сақталады. Олардың жадылық элементтері қорек көзіне тәуелді.

RAM түрлі ЖҚ-лар  статикалық (SRAM) және динамикалық  (DRAM) түрлерге бөлінеді. Оның біріншісінде жады элементтері ретінде триггерлер пайдаланылады, сондықтан олардың тезәрекеттілігі жоғары болады; ал екіншісінде деректер МТШ-құрылымның элементтері арқылы құрылған конденсаторлардың зарядтары түрінде сақталады. Кондесаторлардың өздігінен зарядсыздануы деректерді жояды, сондықтан олардың қайта-қайта (әрбір миллисекунд сайын) қалпына келтіріліп отырылуы керек. Бірақ, динамикалық жады элементтерінің орналастырылу тығыздығы статикалық құрылыммен салыстырғанда бірнеше есе асып түседі.

ROM түрлі ЖҚ-лардың  кейбір түріндегі информация  ешқашан өзгертілмейді, ал кейбір  түрінде өзгертіледі, бірақ ол  құрылғының жұмыс режимінде емес, арнайы режимде жүзеге асырылады. 

ROM түрлі ЖҚ-лар  бағдарлану тәсіліне байланысты  бірнеше түрде шығарылады:

-       ROM(M) түріндегі құрылымдар жинам технологиясымен өндірісте шығарылу кезінде арнайы маскалар арқылы бағдарланады да, одан кейін ондағы информация ешқашан өзгертілмейді;

-       PROM (Programmable ROM) түріндегі құрылымдарды пайдаланушының өзі бағдарлайды (яғни, оған қажетті информацияны енгізеді), одан кейін бұл құрылым ROM(M) сияқты тұрақты жады ретінде пайдаланылады;

-       EPROM (Electrically Programmable ROM) және EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) түріндегі құрылымдардағы информацияны өшіріп, одан кейін оларды қайтадан бағдарлауға болады. EPROM құрылымдарындағы информация ультракүлгін сәулесімен, ал EEPROM құрылымдарындағы информация электр сигналдарымен өшіріледі. Оларды бағдарлау зертханалық жағдайда арнайы бағдарлаушы құрылғылар арқылы жүзеге асырылады.

Тізбекті шығарылымды  ЖҚ-ларға жазылған деректер кезек  құрады. Кезектегі сөздердің оқылуы олардың жазылым тәртібімен немесе керісінше тәртіппен жүзеге асырылады. Сөздердің тура шығарылым тәртібі FIFO (First In – First Out) буферлері мен файлды және циклді ЖҚ-ларда қолданылады. Сөздердің кері тәртіппен оқылуы LIFO (Last In – First Out) буферлері ретінде істейтін стек түріндегі ЖҚ-ларда қолданылады.

Танымалды шығарылымды  ЖҚ-лардағы информацияны іздеу оның жадыдағы орналасымы арқылы емес, cөз құрамына енгізілген арнайы танымал белгісі (tag) арқылы жүзеге асырылады.

5.5 Жадылық құрылғылардың негізгі құрылымдары

SRAM және ROM түрлі  жадылық құрылғылар 2D, 3D және 2DM құрылымымен  құрылады.

5.6 2D құрылымы

Бұл құрылымда n-разрядты жады ұяшықтары (ЖҰ) бір жол бойында орналасады (суретте – вертикаль бойында), сондықтан бұндай құрылым көбіне сызықты құрылым деп аталады.

Адрес кодының  дешифраторы (DC), рұқсат сигналы CS (Chip Select) берілген кезде, шығыс жолдарының біреуін  жандандырып, таңдалған жолдағы ұяшыққа, демек, онда сақтаулы сөзге қол жеткізеді. Матрица бағаналарының сәйкесті элементтері вертикаль жолға, яғни ішкі дерек жолына (разряд жолына, оқу/жазу жолына) жалғанған. Бағана элементтерінде сөздердің аттас биттері сақталған. Сөздің жіберілім бағыты R/W (Read/Write) сигналының әрекетіне байланысты оқу/жазу күшейткіштерімен анықталады.

2D құрылымды  жадылық құрылғының жады ұяшықтарының  санын бірнеше есе ұлғайту  керек болса, құрылғыдағы дешифратордың  шығыс саны да сонша есе  ұлғайтылу керек болады, ал көпшығысты дешифратор құру – қиын мәселе. Сондықтан 2D құрылымы қарапайым құрылымдарда ғана пайдаланылады.

5.7 3D құрылымы

3D құрылымы (матрицалы  құрылым) қоскоординаталы талғам  арқылы адрес дешифраторын жеңілдетуге мүмкіндік береді

Бұнда n разрядты адрес коды екіге бөлінеді де, олардың әрбіреуі жеке ажыратылады. Жандандырылған жолдардың қиылысындағы жады элементі (немесе ұяшығы) таңдалады. Бұндай қиылыстар саны

2^n/2 х 2^n/2 = 2ⁿ.

Екі дешифратордың шығыстарының толық саны

2^n/2 + 2^n/2 = 2^n/2+1

болады, ал бұл 2D құрылымдағы дешифратордың шығыс санынан (2ⁿ) санынан едәуір кем.

3D құрылымының мүмкіндігі 2D құрылымымен салыстырғанда көбірек болғанмен, оның қолданылым аймағы да шектелген.

5.8 2DM құрылымы

Үлкен құрылымдардың (мысалы, компьютерлердің) жады жүйелерін ұйымдастыруға арналған 2DM (модификацияланған 2D) құрылымында 2D және 3D құрылымдарының екеуінің де артықшылық жақтары қамтылған  – адрес ажыратылуы жеңілдетілген және екікоординаталы талғанымды жады элементтерінің қажеттігі жоқ.

2DM құрылымының жады элементтерінің матрицасы (1.33-сурет) 2D құрылымының сипатындай: дешифратордың жандандырылған шығысы толық бір жолды таңдайды. Бірақ 2D құрылымынан ерекше, бұнда жол ұзындығы сақталушы сөздердің разряд санындай емес, одан бірнеше есе асып түседі. Жолдардың біреуін таңдауға адрес кодының A_n–1... A_k бөлігі пайдаланылады. Адрестің қалған разрядтары (от A_k–1... A₀) таңдалған жолдағы көптеген сөздердің қажеттісін мультиплексор арқылы бөліп шығаруға пайдаланылады. Жол ұзындығы – m^2k, бұндағы m – сақталушы сөздердің разряд саны. Ұзақтығы 2^k жолдың әрбір “кесіндісінен” 2^k мультиплексор бір бит таңдайды. Мультиплексорлардың шығыстарында шығыс сөзі қалыптасады. Үш жағдайлы басқарылымды буферлердің ОЕ кірістеріне түсетін CS сигналының рұқсатымен шығыс сөзі сыртқы желіге жіберіледі.

6 Тұрақты жадылық құрылғылардың байланыс элементтері

6.1 ROM(M)  құрылғылары

ROM (Read Only Memory) түрлі  жадылық құрылғылардың  кейбіреуіндегі информация (ROM(M) және PROM түрлі ЖҚ-да) ешқашан өзгермейді, ал кейбіреуінде (EPROM и EEPROM түрлі ЖҚ-да) өзгертіледі, бірақ ол құрылғының жұмыс режимінде емес, арнайы режимде жүзеге асырылады.

ROM(M) түріндегі  құрылымдар жинамды технологиямен  олардың өндірісте шығарылу кезінде  арнайы маскалар арқылы бағдарланады  да одан кейін ондағы информация ешқашан өзгертілмейді. Оларды бағдарлау жады элементтерінің матрицасының горизонталь және вертикаль жолдарының арасында байланыс элементтерінің орналастырылуы арқылы жүзеге асырылады. Байланыс элементтері ретінде диодтардың, биполярлы транзисторлардың, МОШ-транзисторлардың және т.б. пайдаланылуы мүмкін.

Диодты ROM(M) матрицасында (1.34-сурет) горизонталь жолдар –  сөз талғам жолдары, ал вертикаль  жолдар – оқылым жолдары. Оқылатын сөз диодтардың координат торының  түйіндеріндегі орналасысымымен анықталады. Диодтың тұрған кезінде таңдалған горизонталь жолдың жоғары мәнді потенциалы сәйкесті вертикаль жолға жіберіледі де сөздің осы разрядында логикалық бір сигналы шығады. Диодтың жоқ кезінде, вертикаль жол резистор арқылы жерге жалғанғандықтан, осы жолдың потенциалы нолге жуық болады. Көрсетілген матрицадағы талғам жолы Т0 жандандырылғанда 11010001 сөзі оқылады (номері ноль ұяшықта осы сөз сақталған). Т1 жолы жандандырылғанда 10101011 сөзі оқылады (ол номері 1 ұяшықта сақталған). Талғам жолдары – адрес дешифраторының шығыстары, әрбір адрес қиыстырымы дешифратордың сәйкесті шығысын жандандырады да, сілтенген ұяшықтағы сөз оқылады.

МОШ-транзисторлы құрылымның матрицасының сәйкесті қиылысындағы нөл сақтаушы МОШ-транзисторларының  арнасы мен жапқышының арасындағы тотық қабатының қалыңдығы ұлғайтылады да, ол транзистордың шекті ашылым кернеуін өсіреді, яғни ол ашылмайтын жағдайға келтіріледі, ал бір сақтаушы транзисторлардың тотық қабатының қалыңдығы оның дешифратордан түсетін талғам сигналымен ашылатындай мөлшерге қойылады (1.35-сурет).

ROM(M) түрлі ЖҚ-лардың  жады элементтері өте аз орын  алады, демек, сәйкесті микросхемалардың  жиналым деңгейі жоғары болады. Бірақ жиналымды технологиялық  тәсілмен бағдарлауға арналған  маскаларды жобалау мен жасауға  кететін қаражат аса көп болады. Бұндай қаражат олардың кең қолданылатын жағдайында ғана ақталады. Бұдан олардың қолданылым аймағы да анықталады, олар – тұтынушылардың көпшілігіне қажетті, стандартты информация сақтау. Мысалы, маскалы бағдарламалы ЖҚ-ларда алфавит (орысша және латынша) символдарының, қалыпты функциялардың (синустың, квадраттық функциялардың және т.б.) кестелері, стандартты бағдарламалар және с.с. кең қолданылымды информацияның “тігілімдері”[1] болады.

6.2 PROM құрылғылары 

PROM (Programmable ROM) түрлі  жадылық құрылғылардың  микросхемалары арнайы жалғамаларды жою немесе оларды құру арқылы бағдарланады. Микросхеманың бастапқы дайындалымында барлық жалғамалар болады (немесе ешқандай жалғама болмайды). Бағдарлаудан кейін олардың қажеттілері ғана қалады (немесе құрылады).

Жойылымды жалғамалы (fuse түрлі) ЖҚ-лардың бастапқы микросхемасында  барлық жалғама орналастырылған (яғни, жады матрицасының барлық қиылысында лог.1 тұрады). Бағдарлау кезінде олардың кейбірі, амплитудасы мен ұзақтығы жеткілікті мөлшердегі, ток импульстарымен еріту арқылы жойылады (яғни, жады матрицасының сәйкесті қиылыстарына лог.0 жазылады). Ерітілме жалғамалар диодтардың немесе транзисторлардың электродтарына қосылады (1.36, a-сурет).

Құрылымды жалғамалы (antifuse түрлі) ЖҚ-лардың бастапқы микросхемасының  құрамындағы жады матрицасының барлық қиылысында қарсы қосылымды диод түріндегі немесе жұқа диэлектрлік  қабат түріндегі құрылым орналастырылған.  

Қосдиодты құрылымның (1.36, b-сурет) бастапқы жағдайдағы кедергісі жоғары болады да, бұл қиылыстардың ажыратылған жағдайына, яғни онда лог.0 сақталған элемент тұрғанына сәйкес келеді. Нақтылы қиылыстарды лог.1 жағдайына келтіру үшін, яғни онда бір жазу үшін, бұндағы диодтарға жоғары мәнді кернеу беру арқылы кері бағытта қосылған диод тесіліп, бұл қиылыс тұйықталады да, онда ток жүргізуші жалғама туады.

Диэлектрлік қабатты  құрылымдар аса ықшамды келеді, сондықтан  олар, негізінде, мүмкіндігі және оған сәйкесті күрделілігі аса жоғары болатын, қазіргі заманғы бағдарламалы құрылымдарда қолданылады.