Введение: Цели, Задачи и Актуальность Проекта
В современных микропроцессорных системах быстродействие и энергоэффективность являются критическими параметрами. Статическое оперативное запоминающее устройство (SRAM) — это высокоскоростная, но относительно дорогая память, которая находит свое основное применение в качестве кэш-памяти процессоров, буферов данных и в высокопроизводительных встраиваемых системах, где требуется минимальное время доступа.
Актуальность настоящего проекта обусловлена необходимостью разработки надежного и оптимизированного блока памяти, который бы эффективно интегрировался в общую шинную архитектуру. Использование микросхем с общими линиями ввода/вывода (DQ) позволяет минимизировать количество внешних выводов и упростить разводку печатной платы, что критически важно при проектировании компактных устройств, поскольку каждый сэкономленный вывод существенно снижает габариты конечного продукта.
Целью данной курсовой работы является проектирование, анализ и теоретическое обоснование работы блока статического ОЗУ заданной емкости, включая выбор элементной базы, разработку структурной схемы, анализ временных диаграмм операций чтения/записи и проведение расчета потребляемой мощности.
Структура работы, разработанная в соответствии с академическими требованиями, последовательно раскрывает теоретические основы, переходит к инженерному проектированию и завершается количественным анализом (временным и энергетическим), предоставляя исчерпывающий материал для обоснования проектных решений.
Теоретические Основы Архитектуры Статической Оперативной Памяти
Схемотехнические и эксплуатационные отличия SRAM от DRAM
Статическая оперативная память (SRAM) принципиально отличается от динамической (DRAM) на уровне базовой ячейки хранения информации. Ячейка SRAM представляет собой бистабильный элемент, обычно реализованный на шести транзисторах (6T-ячейка), который выступает в роли триггера. Благодаря такой схемотехнике, ячейка SRAM способна хранить логическое состояние сколь угодно долго, пока подано напряжение питания, и, что критически важно, не требует периодической регенерации (перезаписи данных), характерной для DRAM.
Отсутствие необходимости в регенерации обеспечивает SRAM минимальное время доступа ($t_{\text{A}}$), что делает ее самой быстрой оперативной памятью. Однако, высокая сложность ячейки (6T против 1T1C в DRAM) приводит к двум фундаментальным компромиссам:
- Высокая стоимость: Сложность изготовления и большее количество элементов на ячейку увеличивают себестоимость.
- Низкая плотность записи: Ячейка SRAM занимает на кристалле площадь, которая может быть до 6 раз больше, чем ячейка DRAM, что ограничивает объем памяти на одном кристалле.
Именно поэтому SRAM доминирует в приложениях, где скорость важнее объема (кэш-память L2/L3), тогда как DRAM используется для основного системного ОЗУ. А не лежит ли здесь ключ к пониманию современных гибридных архитектур памяти?
Особенности архитектуры с общими линиями ввода/вывода (DQ)
Архитектура с общими линиями ввода/вывода (DQ, Data/Query) является стандартным решением для большинства современных микросхем SRAM и DRAM. Этот принцип означает, что одна и та же группа внешних выводов микросхемы используется как для ввода данных при операции записи, так и для их вывода при операции чтения.
Преимущество данной архитектуры является очевидным и инженерно значимым: она позволяет существенно сократить количество внешних выводов микросхемы. Например, для микросхемы с организацией $8\text{К} \times 8$ бит (64 Кбит) требуется 13 адресных линий ($\text{A}0–\text{A}12$). При использовании общих линий DQ требуется всего 8 двунаправленных линий, тогда как при раздельных шинах ввода и вывода потребовалось бы 16 линий данных. В итоге, общие линии DQ позволяют разместить 64-килобитный чип в компактном корпусе (например, DIP-28), что упрощает разводку печатной платы и уменьшает ее габариты.
Для обеспечения корректной работы общей шины DQ, выходы микросхем выполнены с тремя состояниями (логический 0, логическая 1, и высокоимпедансное Z-состояние). Z-состояние позволяет электрически отключать микросхему от общей шины, когда она не выбрана ($\text{CS}\#=1$) или когда активен режим записи ($\text{WE}\#=0$), предотвращая конфликты при подключении нескольких микросхем к одной шине данных.
Инженерное Проектирование Блока ОЗУ: Выбор Элементной Базы и Схемотехника
Обоснование выбора и технические характеристики микросхемы SRAM
Для проектирования блока ОЗУ, предназначенного для курсовой работы, была выбрана типовая асинхронная микросхема статического ОЗУ с низким энергопотреблением, например, AS6C6264 (или ее аналоги).
Технические характеристики AS6C6264:
| Параметр | Значение | Обоснование |
|---|---|---|
| Организация | $8192 \text{ слов} \times 8 \text{ бит} (8\text{К} \times 8)$ | Стандартная разрядность для 8-битных микропроцессорных систем. |
| Емкость | 64 Кбит | Соответствует требованиям базовой ячейки памяти. |
| Количество адресных линий | 13 ($\text{A}0–\text{A}12$) | $2^{13} = 8192$. |
| Количество линий данных | 8 ($\text{DQ}0–\text{DQ}7$) | Общие, двунаправленные линии ввода/вывода. |
| Время доступа ($t_{\text{A}}$) | 55 нс (Типовое) | Высокая скорость, характерная для SRAM. |
| Напряжение питания | 2.7 В – 5.5 В | Широкий диапазон, совместимый с КМОП-логикой. |
Формирование управляющих сигналов
Корректное управление работой микросхемы памяти с общими линиями DQ обеспечивается тремя основными управляющими сигналами, которые, как правило, имеют активный низкий уровень (обозначается инверсией #):
- CS# (Chip Select, Выбор кристалла):
- $\text{CS}\#=0$ (Активный): Микросхема выбирается и готова к обмену данными (чтение или запись).
- $\text{CS}\#=1$ (Неактивный): Микросхема полностью отключается от шины данных, переводит выводы DQ в Z-состояние и переходит в режим ожидания (Standby Mode) для минимизации энергопотребления. Этот сигнал используется для дешифрации адреса при расширении памяти.
- WE# (Write Enable, Разрешение записи):
- $\text{WE}\#=0$ (Активный): Разрешена операция записи. Данные с шины DQ фиксируются во внутренней ячейке, адрес которой задан на линиях $\text{A}0–\text{A}12$.
- $\text{WE}\#=1$ (Неактивный): Запрет записи; режим чтения или ожидания.
- OE# (Output Enable, Разрешение вывода):
- $\text{OE}\#=0$ (Активный): Разрешен вывод данных из выбранной ячейки на шину DQ (только при $\text{WE}\#=1$).
- $\text{OE}\#=1$ (Неактивный): Выводы DQ находятся в Z-состоянии.
| Режим работы | CS# | WE# | OE# | DQ Состояние | Описание |
|---|---|---|---|---|---|
| Ожидание | 1 | X | X | Z (Высокий импеданс) | Минимальное потребление, отключение от шины. |
| Чтение | 0 | 1 | 0 | Вывод данных | Данные из памяти поступают на шину DQ. |
| Запись | 0 | 0 | X | Ввод данных | Данные с шины DQ записываются в память. |
| Отключение вывода | 0 | 1 | 1 | Z (Высокий импеданс) | Адрес установлен, но вывод отключен (например, для подготовки к записи). |
Схема расширения памяти и дешифрация адреса
Для демонстрации принципов построения более объемной памяти спроектируем блок ОЗУ общей емкостью $32\text{К} \times 8$ бит. Для этого потребуется четыре микросхемы $8\text{К} \times 8$ (AS6C6264).
Общая емкость $32\text{К}$ требует $2^{15} = 32768$ уникальных адресов, то есть 15 адресных линий ($\text{A}0–\text{A}14$). Каждая микросхема может обработать 13 младших адресных разрядов ($\text{A}0–\text{A}12$).
Два старших адресных разряда ($\text{A}13$ и $\text{A}14$) используются для выбора одной из четырех микросхем памяти. Эта функция реализуется с помощью внешнего дешифратора адреса.
Дешифрация адреса:
Для выбора одной из четырех микросхем (4 банка памяти) используется дешифратор, например, К555ИД7 (3-в-8). В данном случае, мы используем только два адресных входа дешифратора ($\text{A}$ и $\text{B}$), которые подключаются к системным адресным линиям $\text{A}13$ и $\text{A}14$.
- Адресные линии: $\text{A}0–\text{A}12$ подключаются параллельно ко всем четырем микросхемам SRAM.
- Линии данных: $\text{DQ}0–\text{DQ}7$ подключаются параллельно ко всем четырем микросхемам и к системной шине данных.
- Дешифратор К555ИД7:
- Входы A и B дешифратора подключаются к $\text{A}13$ и $\text{A}14$.
- Выходы дешифратора ($\text{Y}0–\text{Y}3$) подключаются к входам $\text{CS}\#$ соответствующих микросхем ОЗУ ($\text{SRAM}0–\text{SRAM}3$).
- Так как $\text{CS}\#$ активен низким уровнем, а К555ИД7 выдает активный низкий уровень, прямое подключение возможно.
| A14 | A13 | Дешифратор Выход | Выбранная SRAM | Диапазон Адресов |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | Y0 | SRAM0 | $0000_{\text{H}} — 1\text{FFF}_{\text{H}}$ |
| 0 | 1 | Y1 | SRAM1 | $2000_{\text{H}} — 3\text{FFF}_{\text{H}}$ |
| 1 | 0 | Y2 | SRAM2 | $4000_{\text{H}} — 5\text{FFF}_{\text{H}}$ |
| 1 | 1 | Y3 | SRAM3 | $6000_{\text{H}} — 7\text{FFF}_{\text{H}}$ |
Таким образом, только одна микросхема в каждый момент времени получает сигнал $\text{CS}\#=0$ и активируется, в то время как остальные остаются в высокоимпедансном Z-состоянии, предотвращая конфликт на общей шине DQ.
Временной Анализ Операций — Закрытие «Слепой Зоны» Конкурентов
Для обеспечения надежности и максимальной скорости работы интерфейса микропроцессора с памятью необходимо детально проанализировать временные диаграммы, указанные в технической документации (Datasheet). Это ключевой аспект, который часто упускают из виду при поверхностном проектировании, но именно он определяет, будет ли система работать стабильно на максимальной тактовой частоте.
Временная диаграмма цикла чтения (Read Cycle)
Операция чтения инициируется, когда адресные линии становятся стабильными, а сигналы $\text{CS}\#$ и $\text{OE}\#$ активны (низкий уровень), при этом $\text{WE}\#$ неактивен (высокий уровень).
Ключевым временным параметром в цикле чтения является время доступа $t_{\text{A}}$ (Access Time).
tA = tAA = tCO
Где:
- $t_{\text{AA}}$ (Address Access Time): Время, прошедшее с момента установления стабильного адреса до момента, когда данные становятся достоверными на выводах DQ.
- $t_{\text{CO}}$ (Chip Select Access Time): Время, прошедшее с момента активации $\text{CS}\#$ до момента, когда данные становятся достоверными (при условии, что адрес стабилен).
Для выбранной микросхемы AS6C6264, типовое значение $t_{\text{A}} = 55 \text{ нс}$. Это означает, что если системный контроллер работает на частоте, требующей, например, 50 нс для выполнения одного такта шины, данная микросхема (55 нс) будет слишком медленной и потребует введения тактов ожидания (Wait States). Проектирование интерфейса должно гарантировать, что сигнал $\text{OE}\#$ устанавливается достаточно рано, чтобы обеспечить доступность данных на шине в течение требуемого контроллером времени.
Временная диаграмма цикла записи (Write Cycle)
Операция записи является более критичной с точки зрения временных параметров, поскольку требует строгой синхронизации момента установления данных, адреса и активации управляющего сигнала $\text{WE}\#$. Запись инициируется активацией $\text{CS}\#=0$ и $\text{WE}\#=0$ (при $\text{OE}\#=1$).
Критическими параметрами, определяющими надежность записи, являются времена предустановки и удержания.
- Время предустановки данных ($t_{\text{SU}}$, Data Setup Time):
Это минимальное время, в течение которого данные, подлежащие записи, должны быть стабильны на шине DQ до момента деактивации (восходящего фронта) сигнала $\text{WE}\#$.
- Типовое значение для AS6C6264: $t_{\text{SU}} \approx 20 \text{ нс}$.
Если данные исчезнут с шины до истечения $t_{\text{SU}}$, запись в ячейку может быть некорректной.
- Время удержания данных ($t_{\text{H}}$, Data Hold Time):
Это минимальное время, в течение которого данные должны оставаться стабильными на шине DQ после момента деактивации (восходящего фронта) сигнала $\text{WE}\#$.
- Типовое значение для AS6C6264: $t_{\text{H}} \approx 0 \text{ нс}$ (или минимальное положительное значение, например, 5 нс).
Низкое или нулевое время удержания характерно для современных высокоскоростных микросхем и облегчает проектирование контроллеров, но требует точного контроля временных задержек.
Проектирование контроллера шины должно гарантировать, что все временные параметры, особенно $t_{\text{SU}}$ и $t_{\text{H}}$, строго соблюдены относительно восходящего фронта $\text{WE}\#$. Нарушение этих условий ведет к непредсказуемым ошибкам записи, что делает блок памяти непригодным для ответственных систем.
Расчет Энергетических Характеристик и Потребляемой Мощности
Расчет потребляемой мощности является ключевым этапом проектирования, особенно для устройств с питанием от батарей. Общая потребляемая мощность ($P_{\text{общ}}$) блока ОЗУ — это сумма статической и динамической составляющих. Почему же так важно точно разделять эти две составляющие?
Pобщ = Pстат + Pдин
Расчет статической мощности (Standby Mode)
Статическая мощность ($P_{\text{стат}}$) потребляется микросхемой, когда она находится в режиме ожидания ($\text{CS}\#=1$). В этом режиме КМОП-микросхемы потребляют минимальный ток, необходимый только для поддержания заряда ячеек памяти.
Методика расчета:
Pстат = Uпит · Iстандбай
Где:
- $U_{\text{пит}}$ — напряжение питания (В).
- $I_{\text{стандбай}}$ — ток потребления в режиме ожидания (А).
Пример расчета для одной микросхемы AS6C6264:
Примем типовые значения из технической документации:
- $U_{\text{пит}} = 3.0 \text{ В}$
- $I_{\text{стандбай}} = 1 \cdot 10^{-6} \text{ А}$ (1 мкА)
Pстат = 3.0 В · 1 · 10-6 А = 3.0 · 10-6 Вт = 3.0 мкВт
Если блок ОЗУ состоит из четырех таких микросхем, то общая статическая мощность составит $4 \cdot 3.0 \text{ мкВт} = 12.0 \text{ мкВт}$. Это демонстрирует чрезвычайно низкое потребление в режиме хранения данных, что критически важно для портативных устройств.
Расчет и оценка динамической мощности (Active Mode)
Динамическая мощность ($P_{\text{дин}}$) потребляется при активных операциях (чтение или запись), когда происходит переключение логических состояний внутри микросхемы, а также при заряде/разряде внешних емкостей на шинах.
Методика расчета через активный ток:
Pдин ≈ Uпит · Iакт
Где $I_{\text{акт}}$ — ток потребления в активном режиме.
Пример расчета (одна микросхема AS6C6264):
- $U_{\text{пит}} = 3.0 \text{ В}$
- $I_{\text{акт}} = 15 \cdot 10^{-3} \text{ А}$ (15 мА)
Pобщ ≈ Pдин = 3.0 В · 15 · 10-3 А = 45 · 10-3 Вт = 45 мВт
В активном режиме динамическая составляющая ($45 \text{ мВт}$) доминирует над статической ($3.0 \text{ мкВт}$) на несколько порядков. Это убедительно доказывает, что для экономии энергии необходимо максимально использовать режим Standby, своевременно деактивируя сигнал CS#.
Дополнительная оценка мощности переключения ($C V^{2} f$):
В КМОП-схемах значительная часть динамической мощности тратится на заряд и разряд емкостей, что может быть оценено по формуле:
Pдин ≈ Cнагр · V2 · fтакт
Где:
- $C_{\text{нагр}}$ — общая емкость нагрузки на выходе (Ф).
- $V$ — напряжение питания (В).
- $f_{\text{такт}}$ — частота переключения (Гц).
Проведем оценку мощности, рассеиваемой при переключении 8 линий данных ($\text{DQ}0–\text{DQ}7$) на частоте 10 МГц:
- $C_{\text{нагр}} = 50 \cdot 10^{-12} \text{ Ф}$ (50 пФ, типовая емкость линии с учетом нагрузки и монтажа).
- $V = 3.0 \text{ В}$.
- $f_{\text{такт}} = 10 \cdot 10^{6} \text{ Гц}$ (10 МГц).
Мощность переключения на одной линии DQ:
Pсв,1 вых = 50 · 10-12 · (3.0)2 · 10 · 106 Вт
Pсв,1 вых = 4.5 · 10-3 Вт = 4.5 мВт
Общая мощность переключения для 8 линий (предполагая одновременное переключение):
Pсв,8 вых = 8 · 4.5 мВт = 36 мВт
Эта оценка ($36 \text{ мВт}$), полученная аналитическим путем, близка к значению, рассчитанному через активный ток ($45 \text{ мВт}$), и подтверждает, что динамические потери, связанные с частотой работы шины, являются основным фактором потребления в активном режиме. Для снижения общего энергопотребления необходимо максимально использовать режим Standby (путем своевременной деактивации $\text{CS}\#$) и минимизировать рабочую частоту, если это возможно.
Заключение
В рамках данной курсовой работы было выполнено комплексное инженерное проектирование блока статического оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) на микросхемах с общими линиями ввода/вывода данных. Методология, примененная для анализа, обеспечивает высокую степень надежности и оптимизации.
- Теоретическое обоснование: Проанализированы архитектурные особенности SRAM, подтверждающие ее преимущество по скорости перед DRAM за счет отсутствия необходимости в регенерации. Обосновано использование архитектуры с общими линиями DQ для минимизации количества выводов.
- Проектирование схемы: Выбрана элементная база (AS6C6264) и разработана структурная схема расширения памяти до $32\text{К} \times 8$ бит с использованием внешнего дешифратора адреса (К555ИД7) для формирования индивидуальных сигналов $\text{CS}\#$.
- Временной анализ: Проведен глубокий анализ временных диаграмм операций чтения и записи. Определены критические параметры, такие как время доступа ($t_{\text{A}} = 55 \text{ нс}$) и, что наиболее важно для надежности, времена предустановки ($t_{\text{SU}}$) и удержания ($t_{\text{H}}$) данных относительно сигнала $\text{WE}\#$.
- Расчет энергопотребления: Выполнен детализированный расчет потребляемой мощности. Было показано, что статическая мощность составляет микроединицы ватта ($3.0 \text{ мкВт}$), тогда как динамическая мощность в активном режиме доминирует ($45 \text{ мВт}$), что было подтверждено как расчетом через активный ток, так и дополнительной оценкой через формулу $C_{\text{нагр}} V^{2} f_{\text{такт}}$.
Полученные результаты и разработанная методология позволяют создать надежный, высокоскоростной и энергоэффективный блок памяти, полностью удовлетворяющий требованиям курсовой работы по дисциплине «Схемотехника» и служащий основой для дальнейшего проектирования микропроцессорных систем.
Список использованной литературы
- Касперски К. Техника оптимизации программ. Эффективное использование памяти. BHV, 2003. 560 с.
- Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. Санкт-Петербург: Корона принт, 1998.
- Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. Москва: Энергоатомиздат, 1998.
- Казаринов Ю.М. Микропроцессорный комплект К1810: Структура, программирование, применение. Москва: Высш. шк., 1990. 269 с.
- Лебедев О.Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах: Справочное пособие. Москва: Радио и связь, 1994. 216 с.
- Лашевский Р.А. Однокристальное статическое ОЗУ со встроенным интерфейсом // Микропроцессорные средства и системы. 1984. №2.
- Нефедов А.В. Интегральные схемы и их зарубежные аналоги. Т. 1–12. Москва: ИП РадиоСофт, 2001. 554 с.
- 8K X 8 BIT LOW POWER CMOS SRAM. URL: https://www.rs-online.com/web/p/sram/6604297 (дата обращения: 24.10.2025).
- Parallel 8 k x 8 SRAM. URL: https://www.mouser.com/c/semiconductors/memory-ics/sram/?capacity=64%20Kbit%7C64%20K%20%288K%20x%208%29 (дата обращения: 24.10.2025).