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• David Ludueña

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MEMORIAS Importante:   

Comprender el funcionamiento básico de los diferentes tipos de memorias hechas en base a tecnología digital. Conocer las especificaciones técnicas así como las características propias de cada IC de memoria de semiconducción. Tener capacidad de análisis de diferentes circuitos de almacenamiento básico.

Veremos: 

Tipos de memoria de semiconducción, sus especificaciones técnicas, funcionamiento así como modos de escritura y lectura, es decir, nuestro objetivo será exponer el funcionamiento de las memorias de semiconducción. 5 pasos fundamentales a seguir para grabar datos en una memoria.

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Diagramas a bloques de circuitos básicos de almacenamiento digital, diagramas de funcionamiento de algunas memorias. Diagrama a bloques de un programador de memorias RAM.

Utilizaremos:

Iniciando Los Flip-Flops representan los elementos básicos de almacenamiento digital, todos ellos disponibles en los sistemas digitales. En los sistemas digitales podemos encontrar los dispositivos de almacenamiento de información básica, como son las memorias de semiconducción. Podemos citar como ejemplo, los Flip-Flops, como dispositivos básicos de almacenamiento de un bit y asociando los Flip-Flops, formaremos registros, los cuales ya serán capaces de almacenar una serie de bits para una mayor capacidad de extensión de palabra. Es decir, son circuitos que pueden almacenar una gran capacidad de información. La figura 1 muestra los bloques básicos de dispositivos para el almacenamiento digital.

Desde hace tiempo, estos dispositivos tienen grandes aplicaciones en la electrónica digital, tanto en circuitos pequeños, en las computadoras, en circuitos para aplicaciones industriales, equipos de medición, autómatas, entre muchas aplicaciones más. Las memorias las podemos encontrar formando parte de un simple circuito digital, en un circuito microprocesador o en un microcontrolador. Es decir, DSP’s, PLD’s o FPGA’s (Procesador Digital de Señal, Dispositivos Lógicos Programables) respectivamente. Desde el punto de vista más simple, se puede observar la organización de una memoria de forma matricial, así las filas representan los registros de palabras de cierta cantidad de bits y las columnas forma los bits de manera individual de los registros. Como se muestra en la siguiente figura.

Terminología:   

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Dirección de memoria. Se denomina dirección de memoria a la posición que ocupan cada uno de los registros, desde la cero hasta N direcciones. Celda de memoria. Lugar utilizado para el almacenamiento de un solo bit. Visto lo anterior como dispositivo, este puede ser un F-F, un capacitor cargado un disco o cinta magnética. Palabra de memoria. Conjunto de bits de una memoria que representa datos o instrucciones. Considerar que es necesaria una celda de memoria por cada bit que se desee almacenar, es común encontrar palabras de memoria con extensión de 8 bits, por lo que serán necesarias la misma cantidad de celdas de memoria por dirección. Capacidad de memoria (densidad). Forma de especificar la cantidad de bits que es posible almacenar en un dispositivo de memoria o en un sistema completo. En la actualidad, se han desarrollado memorias para una gran capacidad. Por ejemplo, una memoria de 1M se representa 220 = 1, 048,576. Así una memoria de 2M x 8 tiene como capacidad 2, 097,152 x 8. Actualmente, el término “giga” nos muy familiar, este se refiere a 230 = 1, 073, 741,824. Dirección. Número que identifica la posición de una palabra o dato en una memoria o sistema. Cada dato o palabra tiene una dirección específica dentro del sistema digital.

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Bus de direcciones. Líneas por las cuales nos permite el acceso a una posición de memoria específica de donde será leído el dato o donde será grabado un dato. Al disponer de una memoria con M registros, entonces el bus de direcciones dispone de “n” líneas individuales de direccionamiento. Así se cumplirá M = 2n. El bus de direcciones es unidireccional. Bus de datos. Por medio de estás líneas se obtiene el dato que se desea leer o se aplica el dato que se desea almacenar en una dirección determinada (dependiendo el tipo de memoria). Estas líneas son bidireccionales. (Chip Select) Selección de integrado. Cuando esta línea se encuentra en estado BAJO, el bus de datos se conecta al exterior o se puede grabar un dato (en cierto tipo de memorias). Si esta línea se encuentra en estado ALTO, el IC de memoria se encuentra en estado de Hi-Z (Alta impedancia). Esta función se usa para seleccionar uno de varios IC’s de memoria. (Write Enable) Habilitador de Escritura. Línea de los circuitos integrados por medio de la cual se le indica a la circuitería de los mismos sobre la naturaleza de operación que se realizará. Si esta línea tiene un estado BAJO la memoria se dispone para recibir datos, es decir, grabará datos en la dirección seleccionada. Por el contrario, si esta línea de control es ALTA, la memoria estará siendo dispuesta para leer de ella. (Output Enable) habilitador de salida. Línea de habilitación para habilitador a los buffers de salida para leer el dato de la dirección previamente elegida. Si esta línea de control se encuentra en estado BAJO según ejemplo, los datos podrán se leídos. Si por el contrario, esta línea es ALTA, los buffers de salida estarán en HI-Z (Alta impedancia).

Respecto a las características del bus de datos I/O. En algunos casos de aplicaciones muy específicas “Dual-Port”, el bus de datos como lectura se encuentra separado del bus de datos de escritura. En la Fig. 2. El accedo a cada célula de memoria para la operación de lectura o escritura entra la fila Fi y columna Cj como selección de célula, ambas procedentes del bus de direccione. R/ de las líneas de control, identifican como Din o Dout del bus de datos. Clasificando las memorias de semiconducción:

Memorias de Acceso Aleatorio “Random Acces Memory”: son memorias en las cuales se puede acceder normalmente a cada una de las direcciones de contenido de manera directa mediante la condificación y decodificación adecuada de cada una de las direcciones. Memorias de acceso secuencial: En este tipo de memoria, es preciso el acceso de manera ordenada para poder obtener los datos, no se pueden obtener datos de diferentes direcciones si no se hace de manera secuencial. A continuación se presenta la MEMORIA SRAM co0mo ejemplo.

Memorias volátiles: El término “volátil” al cual se hace referencia este tipo de memorias, es que la información que se programa en esta memoria va durar mientras el IC de memoria se encuentre conectado a la fuente de alimentación. En esta clasificación se encuentran tanto las SRAM como las DRAM. Este tipo de memorias son rápidas y de fácil manejo.

1. En el momento T0 se establece la dirección en donde será grabado el dato dentro del IC de memoria. 2. En T0, la señal tiene que estar inactiva (1), simultáneamente o antes que las líneas de dirección sean estables. Además, la señal tiene que permanecer inactiva (1) durante todo el ciclo de escritura. Recordar que esta señal es para la función de lectura y en nuestro caso, se está escribiendo un dato en la memoria. 3. También en T0 se debe activar la señal de (0). Esto puede ser a la vez o antes que las líneas de dirección sean estables. La señal tiene que permanecer activa (0) durante el ciclo de escritura. Esta señal activa el IC de memoria.

4. T1 es el momento en el cual se debe activar la señal ; este tiempo está especificado como TWP. Además, para activar la señal se deben cumplir las condiciones siguientes: a. Las líneas de dirección tienen que estas estables. b. La señal tiene que estas inactiva (1). c. La señal tiene que estar activa (0) La señal es para indicar a la memoria que debe grabar los datos. El tiempo TWR que aparece marcado en la tabla, es el periodo de tiempo mínimo obligatorio en el que la señal debe permanecer activa para grabar los datos también, se puede apreciar en la figura 7, el dato debe permanecer estable. 5. El tiempo T2 está determinado por el IC de memoria, define el instante desde el cual, el dato, que se quiere grabar en el IC de memoria tiene que permanecer estable, antes, de desactivar la señal . Este tiempo es como mínimo TDS (tiempo de dato estable). 6. T3 es el instante en el que se desactiva la señal . Este tiempo también está determinado por el IC de memoria, y está definido por el periodo TWP, el cual es medido hasta T4, que es el instante en el que se inactiva la señal . T4 es el momento en el cual se desactiva la señal ; de nuevo este tiempo está determinado por el IC de memoria. El instante T4 marca el momento hasta el cual, el dato que se desea grabar en la las memoria tiene que permanecer estable, después de desactivar la señal

, este periodo de tiempo es mínimo TDH (Tiempo de

sostenimiento de dato). El tiempo máximo TWR es para la señal

con respecto a la señal

.

Independientemente del tipo de memoria de la cual se hable, los pasos a seguir para poder grabar un dato en la misma, son los siguientes:  Seleccionar dirección  Habilitar de manera adecuada la entrada CE.

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Deshabilitar la salida OE. Seleccionar el dato. Dar la orden de escritura. Es decir, habilitar la entrada de control WE.

Memorias ROM Una memoria ROM (Read Only Memory): memoria de solo lectura, es un dispositivo dedicado al almacenamiento de información binaria del tipo permanente. Lo cual significa que, durante la etapa de operación de la ROM, la información se escribe en la memoria y, a partir de eso, solamente puede ser leída su información. Normalmente, la información de la memoria ROM se graba (se programa) durante la fabricación del chip. Pero, sin embargo, existen memorias del tipo ROM que le permiten al usuario almacenar la información. A este tipo de memorias se le conoce como ROM programables y PROM (programable ROM). También existen memorias ROM que permiten el borrado de la información que se ha cargado en el IC de memoria con el propósito de cambiar el programa por otro. En tal caso, la operación de escritura es realizada de manera diferente. A este tipo de memorias se les llama EPROM (Eraser Programable Read Only Memory). A este tipo de memorias se les conoce también como UVPROM por su manera de ser borradas, es decir, por medio de Rayos Ultravioleta. Como se ha visto, las memorias ROM están en la clasificación de las memorias no volátiles, debido a que no pierden sus datos cuando se interrumpe la fuente de alimentación. A esta memoria también se le conoce ROM programada por máscara. La ROM se usa en aplicaciones de producción de alto volumen, debido a sus elevados costos en el proceso de fabricación. Las ROM programables por máscara se graban en la fábrica y su grabación consiste en fabricar transistores MOS de dos tipos, uno de capa gruesa (una micra de espesor) cuando se quiere grabar un “1”, otro de 0.1 micra, cuando se quiere grabar un “0”. La diferencia en el espesor de la rejilla de control determina la tensión por aplicar para que el transistor entre en estado de conducción. Para el grosor de una micra, es necesaria una tensión diez veces superior a la que necesita uno de 0.1 micra. Entonces, al aplicar los 5V a estos transistores, el de capa fina conduce (se obtiene el estado BAJO) y el de capa gruesa no conduce (se obtiene el estado ALTO).

Memorias PROM

Cuando no se requiere de gran volumen, los fabricantes de IC’s han desarrollado otro tipo de memorias, estas pueden ser las PROM. Las memorias PROM son memorias programables por el usuario una sola vez. Es decir, no pueden ser borradas y reprogramadas. El programa se lleva a cabo fundiendo fusibles y dejando unos intactos, dependiendo del estado bit que se quiera grabar. El usuario debe elegir fundir cualquiera de los enlaces de fusibles para llevar a cabo el almacenamiento del dato deseado. Por lo general, los datos se programan o queman en la ubicación de dirección ubicada, aplicándola a las entradas de esta; colocando los pulsos datos deseados en los pines de acceso a los datos y luego aplicando VPP, un pulso de alto voltaje entre 10 y 30 voltios, a su pin destinado para ello. Los transistores de las filas seleccionadas se encienden y VPP se aplica a sus terminales del drenador. Las columnas (líneas de datos) que puede tener un 0 lógico en ella, proporcionarán una trayectoria de alta corriente a través del enlace de fusible, quemándolo y por consiguiente dejándolo abierto y almacenando de manera permanente un 0 lógico. Las columnas que tengan un 1 lógico, tienen V PP en un lado del fusible, y VDD en el otro por lo cual consumen mucho menos corriente y dejan intacto el fusible. Una vez que todas las localizaciones de dirección hayan sido programadas de esta manera, los datos quedarán permanentemente almacenados en la PROM y podrán ser leídos las veces que sea necesario la ingresar a la dirección correspondiente. Los bits almacenados no cambiarán la remover la energía, porque no causará que el enlace de fusible se cierre de nuevo.

El proceso de programación y verificación se realiza de manera automática mediante un equipo llamado programador PROM. El programador de circuitería selecciona cada dirección de la PROM, quema los datos correctos en la dirección seleccionada de IC de memoria, se verifican los datos y se selecciona la siguiente dirección para repetir el proceso anterior. Los datos grabados en la PROM ingresan al programador mediante un teclado o controlador de disco o son transferidos desde una computadora. A esta última operación se le conoce como descarga, permitiendo al usuario el desarrollo y prueba de los datos almacenados en el IC de memoria desde la PC. En la actualidad existen muy pocas PROM bipolares. En su mayoría se usa la tecnología MOS, con CMOS, siendo estas las más populares. El IC TMS27PC256 es una PROM CMOS muy usual con capacidad de 32K

x 8 con una disipación de calor potencia en stanby de 14 mW. Su tiempo de acceso varía entre 100 y 250 nS

Memorias EPROM Las memorias EPROM son memorias borrables. Se identifican por tener una ventana de cuarzo sensible a la luz ultravioleta en la parte superior al chip. El funcionamiento de este tipo de memoria depende de cargas estáticas en capacitores internos dispuestos de manera matricial de manera similar a una RAM dinámica.

La carga descarga o de estos capacitores determina el estado de conducción de los transistores, por ello, los estados lógicos. Si la memoria es expuesta a los rayos ultravioleta el programa grabado se altera, la razón es que los capacitores se descargan aunque para borrarse por completo se requiere entre 15 y 20 minutos, para poder reprogramase nuevamente, la memoria tiene que estar borrada por completo. Algunas fuentes de luz intensas comunes son capaces de alterar el contenido de la memoria. Por esta razón, una vez programada la memoria, se debe asegurar que la ventana quede cubierta con una cinta negra, puede servir la cinta aislante, con el fin de garantizar la preservación de la información almacenada. La figura 20 muestra la distribución de patillas y la forma física de una memoria EPROM 2716 con una capacidad de 2K x 8. Este es una de los ICs de memoria más conocidas para el diseño de circuitos digitales de lógica programable.

A0 – A10 D0 – D7

Vpp Vss Vdd

Bus de direcciones. Bus de entrada y salida de datos. Habilitador de cápsula. Habilitador de salida de datos. Entrada para programación. Alimentación común (tierra) del IC. Alimentación positiva de 5V del IC.

Después del borrado, la matriz son 1’s. Los datos se introducen programando 0’s en las posiciones deseadas. Aunque sólo los 0’s se programan, en la programación se introducen, tanto ceros como unos. La única manera de cambiar un 0 por un 1 es mediante la acción de borrado aplicando la luz UV. En el modo de programación en la memoria 2716, se aplican 25V en la línea de Vpp y se manda a ALTO la señal de control . La palabra de 8 bits que se desea programar se coloca en paralelo en la entrada de datos (D0 – D7). Al inicio después del borrado todos los bits de la memoria 2716 se encuentran en 1 lógico. Los datos se introducen programando 0’s en las posiciones deseadas. Para llevar a cabo la programación del IC de memoria 2716, se aplican 25V en la línea Vpp y se hace ALTA la señal de control . La palabra de 8 bits que se vas a grabar se coloca en paralelo en las líneas de datos (D0 – D7). Los niveles de voltaje de los datos deben estar entre 0 = 0V y 1 = 5V.

Cuando las líneas de dirección y las líneas de datos son estables, se aplica un estado ALTO durante 50 mS en la línea de control . Este pulso de programación debe aplicarse en cada dirección que se desee programar. Sólo durante la programación de escritura, la línea Vpp debe estar en el nivel de voltaje de 25V. En la operación de escritura, el nivel de voltaje aplicado al pin 21 debe estar fijo en 5V. Por lo anteriormente descrito, la programación de este tipo de memoria de manera manual es muy compleja. Existen programas de computadoras que permiten desarrollar este proceso de manera automática y muy rápida. Simplemente con escribir todo el contenido del programa que se desea introducir, donde ya se incluyan lista de direcciones y su contenido y descargarlo en un programador, posteriormente, en la memoria y el esta quedará ya programada. Otros IC’s de memoria EPROM son los que se observan en la Figura 21, y corresponden a las memorias 2732 y 2764, también se adjuntan las tablas de operación de cada IC. Estas memorias pueden identificarse con facilidad en cuanto a su capacidad y tipo de memoria.

Para la programación de una memoria EPROM es necesario extraer el IC del socket donde se encuentra e introducirlo a un borrador especial de luz ultravioleta durante unos 15 o 20 minutos. Este proceso pude deteriorar el IC de memoria, pero es necesario para poder ser programada de nuevo la EPROM. Las memorias EPROM originalmente fueron diseñadas en aplicaciones de investigación y desarrollo, donde había la necesidad de alterar continuamente el programa almacenado. Conforme se hicieron más confiables y menos costosas, se emplearon en productos de bajo y medio volumen.

EEPROM EEPROM FLASH Memorias EEPROM Las diferencias más importantes entre éstas y las memorias borrables por luz (EPROM) son: Éstas se pueden borrar eléctricamente, y por lo tanto no se es necesario extraerlas del circuito don se ha colocado para poder borrarlas. Para ello sólo hay que incluir una serie de circuitos que permitan realizar esta función. Pueden ser borradas todas las posiciones de memoria o por bloques. No requiere de tensiones elevadas para ser programadas; ésta puede ser programada y borrada por una fuente de 5V. El tiempo que dura la información que se graba en una memoria de estas sin borrarse es similar al de las EPROM, es decir, un mínimo de 10 años y el número de ciclos que se puede borrar y reprogramar sin que aparezcan problemas, es de 1000 al igual que las EPROM. La memoria X28C64A de XICOR, cuenta con características especiales; la información dura sin deteriorarse durante 100 años y los ciclos de borrado y grabado que soporta son de 100,00. La matrícula de la memoria identifica lo siguiente:

X: 28: C: 64:

Es el fabricante (XICOR). Corresponde a una memoria EEPROM Tecnología o familia utilizada en la fabricación del IC de memoria. La cantidad de miles enteros de bits que la memoria es capaz de almacenar.

La figura 22 muestra la memora 2864 y su distribución de pines. Éste IC de memoria está organizado como matriz de 8 x 8, de la siguiente manera:

A0 – A12: I/O0 – I/O7: : : : Vss: Vdd:

Entradas de direcciones (213 = 8192). Entrada y salida de datos. Habilitador de salida. Habilitador de chip. Habilitador de escritura. Fuente común. Fuente positiva de 5V.

En general, la tabla de funcionamiento de esta memoria se puede ver en la B, mientras que el diagrama a bloques de esta memoria del tipo EEPROM se ve en la figura A. al igual que la mayoría de los circuitos digitales, también este tipo de IC’s cuentan con entradas de control, en nuestro ejemplo, estas son , y mientras que Ready/Busy es una salida del IC. Para leer el contenido de una ubicación de memoria, la dirección deseada se aplica a los pines de dirección (A0 – A12), debe ser activo en BAJO; mientras que el pin de habilitación de salida, al igual que , se activa en BAJO para que los buffers de salida se activen. La habilitación de escritura, se mantiene en ALTO, recordar que este pin es para la acción de escritura, y ahora lo que se hace es una operación de lectura. Para la operación de escritura y escribir un dato en una dirección específica de memoria, los buffers de salida deben estar en su estado deshabilitado, de manera que los datos puedan ser aceptados como entrada al IC de memoria.

La sincronización para la operación de escritura puede apreciarse en la figura. Antes de que aparezca el tiempo 1 el IC debe estar en modo de espera, para elegir una dirección en ese instante en el tiempo 2 las entradas y se activan, es decir se van al estado BAJO para poder iniciar así la operación de escritura; la entrada debe ser ALTA, de manera que los pines de salida de datos estarán en estado de ALTA IMPEDANCIA. En el tiempo 3 se aplican los datos seleccionados a las entadas I/O y se escriben en la dirección antes seleccionada durante el borde ascendente de la señal de control . El IC 2864 tiene un modo mejorado de escritura que permite al usuario escribir hasta 16 bytes de datos en la parte intermedia, donde se mantiene mientras la circuitería borra las ubicaciones de la memoria seleccionada.