Μνήμες RAM

Οι μνήμες RAM χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση πληροφοριών οι οποίες μεταβάλλονται συχνά. Οι λειτουργίες ανάγνωσης (read) και εγγραφής (write) των πληροφοριών από και προς την μνήμη RAM γίνονται με την ίδια ευκολία σε αντίθεση με τις μνήμες ROM, ενώ οι χρόνοι προσπέλασης είναι από 5 φορές έως 50 φορές μικρότεροι (50 nsec έως 5 nsec). Η μνήμη RAM είναι πρόσκαιρη (volatile) και όταν διακόψουμε την τάση τροφοδοσίας της, τα δεδομένα της χάνονται ενώ με την επάνοδο της τα περιεχόμενά της θα βρίσκονται σε τυχαίες καταστάσεις. Επειδή οι μνήμες RAM είναι ταχύτατες χρησιμοποιούνται σε μικροϋπολογιστές (microcomputers) ως κύρια μνήμη για την προσωρινή αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων τα οποία αλλάζουν συχνά. Η επικοινωνία του κάθε Ο.Κ. μνήμης RAM με άλλα ψηφιακά κυκλώματα γίνεται με ένα αριθμό n γραμμών εισόδου και n γραμμών εξόδου δεδομένων, k γραμμών επιλογής διεύθυνσης και γραμμών ελέγχου.

Οι n γραμμές εισόδου χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση των δεδομένων της λέξης που θα εγγραφεί και οι n γραμμές εξόδου χρησιμοποιούνται για την ανάγνωση των δεδομένων της λέξης που έχει επιλεγεί. Για λόγους περιορισμού του πλήθους των γραμμών, έχει επικρατήσει στα Ο.Κ. των μνημών RAM οι ακροδέκτες εισόδου και εξόδου να είναι κοινοί. Ανάλογα με τη λειτουργία που επιλέγουμε κάθε φορά (ανάγνωση ή εγγραφή) οι ακροδέκτες θα συμπεριφέρονται σαν γραμμές εξόδου ή εισόδου αντίστοιχα. Η επιλογή της λειτουργίας γίνεται με την είσοδο ελέγχου R/W ανάγνωσης και εγγραφής. Όταν η είσοδος αυτή έχει τη λογική κατάσταση ″1″ , τότε έχουμε λειτουργία ανάγνωσης, ενώ, όταν είναι σε λογική κατάσταση ″0″ έχουμε λειτουργία εγγραφής. Η χωρητικότητα των Ο.Κ. RAM
αναφέρεται σαν ένα γινόμενο δύο αριθμών. Ο πρώτος είναι ο συνολικός αριθμός των λέξεων, ενώ ο δεύτερος είναι το μήκος της κάθε λέξης σε bit (πχ. 32Kx8).

Τρίτη κατάσταση (tri-state)

Υπάρχει και άλλη μία είσοδος ελέγχου του Ο.Κ. η οποία ονομάζεται είσοδος επιλογής του Ο.Κ. και συμβολίζεται σαν CS (Chip select). Ο συμβολισμός του συμπληρώματος δηλώνει ότι, όταν αυτή η είσοδος βρίσκεται σε λογική
κατάσταση ″0″, τότε το Ο.Κ. της μνήμης λειτουργεί κανονικά (έχει επιλεγεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα). Όταν βρίσκεται σε λογική κατάσταση ″1″, τότε το Ο.Κ. της μνήμης είναι απενεργοποιημένο και οι είσοδοι-έξοδοι του συμπεριφέρονται σαν να είναι αποσυνδεδεμένες ηλεκτρικά από το εξωτερικό περιβάλλον. Η κατάσταση αυτή των εισόδων-εξόδων του για να διακρίνεται από τις λογικές καταστάσεις ″0″ και ″1″ ονομάζεται ″τρίτη κατάσταση″ (tri-state) ή κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης και συμβολίζεται στα φυλλάδια των κατασκευαστών ως ″Ζ″ ή ως ″Ηi-Ζ″. Η κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης για μία είσοδο ή έξοδο ισοδυναμεί ηλεκτρικά με την ύπαρξη πολύ μεγάλης αντίστασης μεταξύ της εισόδου ή εξόδου και της γείωσης του κυκλώματος. Οι είσοδοι επιλογής ολοκληρωμένου κυκλώματος δίνουν τη δυνατότητα της επέκτασης (δηλαδή της κατασκευής μνημών με μεγαλύτερες χωρητικότητες), όπως και της υλοποίησης των διαύλων, δηλαδή της σύνδεσης παράλληλα πολλών ψηφιακών εξόδων σε μία κοινή γραμμή.

Εσωτερική δομή της μνήμης RAM

Η εσωτερική δομή μίας μνήμης RAM παρουσιάζει πολλές ομοιότητες με την εσωτερική δομή της μνήμης ROM. Οι n ψηφιακές είσοδοι των διευθύνσεων οδηγούνται σε έναν αποκωδικοποιητή n σε 2n. Ο αποκωδικοποιητής αντιστοιχεί στη συγκεκριμένη διεύθυνση, που έχουμε τοποθετήσει στις εισόδους των διευθύνσεων, μία συγκεκριμένη λέξη. Όταν έχουμε προσπέλαση σε μια λέξη, όλες οι άλλες λέξεις της μνήμης θα είναι απενεργοποιημένες, δηλαδή τα δεδομένα τους δεν αλλάζουν, ενώ οι έξοδοι των βασικών κυττάρων που τις αποτελούν θα βρίσκονται σε λογική κατάσταση ″0″.

Στο σχήμα φαίνεται η εσωτερική δομή μίας μνήμης RAM με χωρητικότητα 4x3 bits, δηλαδή τεσσάρων λέξεων με 3 bits η κάθε λέξη. Παρατηρούμε ότι χρειάζονται δύο είσοδοι για τη διεύθυνση, οι οποίες οδηγούνται στον αποκωδικοποιητή 2x4. Οι έξοδοι του αποκωδικοποιητή οδηγούνται στα κύτταρα μνήμης (ΚΜ) της κάθε λέξης. Το κύτταρο μνήμης κατασκευάζεται με ένα flip-flop στο οποίο έχουν προστεθεί κάποια κυκλώματα για την ανάγνωση και την εγγραφή της πληροφορίας.

Η κάθε λέξη αποτελείται από τρία βασικά κύτταρα (bits) μνήμης με μία είσοδο και μία έξοδο δεδομένων, μία είσοδο για την επιλογή της λειτουργίας ανάγνωσης ή εγγραφής και μία είσοδο ενεργοποίησης (ενεργοποιείται σε λογική κατάσταση ″0″) κοινή σε όλα τα κύτταρα της κάθε λέξης και συνδεδεμένη σε μία έξοδο του αποκωδικοποιητή. Όταν δεν είναι ενεργοποιημένο ένα κύτταρο (είσοδος ενεργοποίησης σε λογική κατάσταση ″1″) η έξοδός του θα είναι ″0″ ανεξάρτητα από το πραγματικό του περιεχόμενο.

Ο αποκωδικοποιητής έχει μία είσοδο ενεργοποίησης. Όταν αυτή η είσοδος είναι ″1″ τότε όλες οι έξοδοι του αποκωδικοποιητή είναι ″1″ και δεν επιλέγεται κανένα κύτταρο, επομένως οι έξοδοί τους είναι σε λογική κατάσταση ″0″. Οι έξοδοι δεδομένων της μνήμης θα είναι σε λογική κατάσταση ″0″, ανεξάρτητα από τη διεύθυνση που τοποθετούμε. Όταν ο αποκωδικοποητής είναι ενεργοποιημένος (είσοδος ενεργοποίησης σε λογική κατάσταση ″0″), τότε ανάλογα με τη διεύθυνση που έχουμε τοποθετήσει, μόνο μία από τις εξόδους του αποκωδικοποιητή θα είναι σε λογική κατάσταση ″0″. Όλα τα κύτταρα μνήμης που η είσοδος ενεργοποίησής τους είναι συνδεδεμένα σ’ αυτή την έξοδο θα είναι ενεργοποιημένα και μπορεί να γίνει η ανάγνωση ή εγγραφή τους. Τα υπόλοιπα κύτταρα είναι απενεργοποιημένα, επομένως οι έξοδοί τους είναι ″0″ και λόγω των πυλών OR δεν επηρεάζουν τις εξόδους της μνήμης κατά τη λειτουργία ανάγνωσης, ενώ δεν μεταβάλλουν τα περιεχόμενά τους κατά τη λειτουργία εγγραφής.