10.1. ROM, EPROM, statische sowie dynamische RAM und sonstige Logik history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 27.08.18 16:42:12

Hierbei handelt es sich um Zusatzbausteine, welche sich rund um den Prozessor ranken, aber selbst keine Prozessorbaugruppen wie SIO, PIO; CTC, DMA sind. Hierzu gehören generell alle Funktionen der Adress-Decodierung, Signalverstärkung auf den BUSsen, Datenspeicherung, der Signalverzögerung. Allen Bausteinen ist gemein, dass sie adressiert werden müssen und ein "Chip-Select" oder "Chip-Enable" trifft die Auswahl des konkreten Bausteins innerhalb der Menge. Jegliche Art von Speicher mit einer mehr als × 1-Organistaton kann auch als Register aufgefasst werden.

die Elektronikseiten

Logo für Speicher-Bausteine

 

inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-)

Informatik-Profi-Wissen

interner Computeraufbau - WOM gefällt mir selbst am besten

... und so funktioniert ein Computer

WOM - siehe Abbildung oben - ist echt Mist ;-)
1. ROM
2. PROM
3. EPROM und EPROM-Programmierung
4. EEPROM - Flash-ROM
5. Statische RAM (SRAM)
6. Dynamische RAM (DRAM)
7. Flash-EEPROM und deren Programmierung
8. Verwandte Themen

Insgesamt können die hier vorgestellten IS als das "Zubehör" zur Steuerungstechnik neben den Standard-Rechnerbaugruppen gesehen werden ;-)


1. ROM history menue scroll up

Das sind im letzten Fertigungsschritt des Chips programmierbare Bausteine in Byte- oder Wortbreite organisiert, die nicht wieder neu beschreibbar sind. Man spricht von "maskenprogrammierten" ROMs. Das Programm wird in  einem Herstellerschritt gleich mit auf den Chip implementiert. Das Verfahren ist technologisch sehr günstig und preiswert - nachfolgende Korrekturen sind jedoch ausgeschlossen.

ROM steht für Read Only Memory - ein ausschließlich lesbarer Speicher
Fertigungsnummer war die 23XX - echte ROMs werden nur noch in speziellen Einchiprechnern gefertigt

Interner Aufbau eines ROM

ROM-Typenliste

ROM-Logik


2. PROM history menue scroll up

Das sind einmalig elektrisch programmierbare Bausteine in Byte- oder Wortbreite organisiert, die nach dem ersten Schreibzyklus nicht wieder neu beschreibbar sind. Man spricht von "programmierbaren" ROMs.

PROM steht für Programable Read Only Memory - ein ausschließlich lesbarer Speicher
Fertigungsnummer ist die 26XX
PROM-Typenliste

3. EPROM und EPROM-Programmierung history menue scroll up

Das sind elektrisch programmierbare Bausteine in Byte- oder Wortbreite organisiert, die mit einem elektrischen Impuls (12,5 bzw. 21 oder 25 Volt) programmiert werden. Dabei werden Leiterbahnen "weg gebrannt". Dieser Vorgang ist mittels UV-Licht reversibel - die Bausteine können dann erneut programmiert werden.
Heute interessant sind die schnellen CMOS-EPROM mit großer BUS-Breite und vergleichsweise großer Datenkapazität. Dabei werden EPROMS heute auch mit serieller Schnittstelle in den Daten-BUS gefertigt
.

Mit EPROMs kann man auch Logik betreiben - und zwar genau dann, wenn die Logiken besonders komplex sind ;-)
Fertigungsnummer ist für Standard MOS-Technilogie die 27XX - CMOS-Typen tragen die Bezeichnung 27CXX 
EPROM steht für Erasible Programmable ROM - löschbarer ROM

TYP (MOS oder CMOS!!!) sowie Programmierspannung beachten - falsch geht nur ein mal ;-)

programmierte EPROMs werden auch durch hinreichend lang wirkendes Sonnenlicht gelöscht - das dauert zwar sehr lange, passiert aber ungefähr nach einer Stunde je nach Intensität des einfallenden Lichts, wobei natürlich auch der Winkel mit eingeht, denn die Gläser der Abdeckungen sind konvex gefertigt ('ne kleine Schutzmaßnahme, damit das Löschlicht unbedingt rechtwinklig einfallen sollte)
... und darum: programmierte EPROM das Quartzfenster lichtundurchlässig abkleben
Wie und wo finde ich EPROM-Typen - vor allem die Programmieralgorithmen und -spannungen sind wichtig?

EPROM im funktionalen Verständnis

unprogrammiert enthalten alle EPROM-Zellen ein logisches "H" - eingebrannt werden also eigentlich nur die "L"-Werte (die Durchkontaktierung zur jeweiligen Zellendiode wird weg gebrannt - ein Vorspannwiderstand zieht dann das Potential auf logisch "L"
unprogrammiert EPROM-Zellen ergeben eine hexadezimale FFH, alle Zellen einer Adresse eingebrannt werden also eine hexadezimale 00H anzeigen
Programmierimpuls und Daten müssen beim Programmieren oft mehrfach genau definierte Zeit lang anliegen - der Impuls liegt dabei typischerweise im ms-Bereich
   

EPROM-Programmierung bei uns mit ELV-EPROMMER

... und seit 26.9.2012 mit dem BATRONIX Professional Programmer

Blockschaltbild eines 1K × 8 organisierten ROM (z. B. 2305)

Blockschaltbild eines 1K × 8 organisierten ROM mit ProfiLab 2.0 realisiert

Lesen Porgrammieren Tri-State - Nix - oder türkisch: Nyx ;-)
  • QUT-ENABLED ist aktiv
  • Chip-Select ist aktiv
  • PGM ist inaktiv (typischerweise "H")
  • QUT-ENABLED ist aktiv
  • Chip-Select ist aktiv
  • PGM ist aktiv (siehe Programmierspannung des jeweiligen Typs)
  • Read ist inaktiv oder aktiv
  • Chip-Select ist inaktiv
  • PGM ist inaktiv oder aktiv (aber nicht Programmierspannung)
Beachten Sie bei zu programmierenden EPROM genau die Typen (siehe unten)  und Typklasse (Technologie TTL-, MOS oder CMOS) sowie die zu verwendende Programmierspannung (im Zweifelsfalle erhöht man die Programmierspannung suksessive, bis Programmierung erfolgreich, aber auch bei zu niedrig gewählter Programmierspannung kann der EPROM zerstört werden)
EPROM-Typenliste, Auswahlverfahren für EPROM sowie deren Programmierung

4. EEPROM - Flash-ROM history menue scroll up

In diesen werden Zellen durch elektrische Impulse geschrieben und eben auch wieder gelöscht. EEPROM steht für "Electrical Erasible & Pragramable ROM" - also ein elektrisch löschbarer und beschreibbarer ROM. Diese Bezeichnung kennt kaum jemand, genutzt dagegen werden sie schon vom Kleinkind - sie stecken in faktisch jedem MP3-Player oder Handy.

... 28-er Serie

28C64

EEPROM-Typen

5. Statische RAM history menue scroll up

Hier lassen sich die Speicherinhalte solange speichern und verändern, wie die Betriebsspannung anliegt. Spannungsverlust führt zu Datenverlust. Statische RAM sind durch ihren internen Aufbau bedingt (FlipFlop) hoch komplex, aber vergleichsweise sehr schnell. Daher haben sie auch heute noch als so genannte Cache-RAMs ihre Bedeutung.

Im Bild unten ist die Prinzipschaltung eines RAM mit statischen MOS-Speicherzellen (SRAM) dargestellt. Er dient zur Speicherung von n × m Bit, die über den Eingang Di/Do bei CS = 0 und WE = 0 in die Speichermatrix (3) eingeschrieben und bei CS = 0 und WE = 1 gelesen werden.
Durch die entsprechende Belegung der Zeilenadressbit Ai und der Spaltenadressbit Aj wird die jeweils zu aktivierende Speicherzelle ausgewählt. Dazu werden durch den Zeilendecoder (2) jeweils eine Zeile und durch den Spaltendecoder (5) jeweils ein Spaltenleitungspaar aktiviert.
So vollzieht sich der Lesevorgang der Zelle 0,0 wie folgt: An den Zeilenadresseingängen (1) liegt ein Adressbitmuster, das durchweg Nullen enthält. Dadurch wird mit Hilfe des Zeilendecoders die Zeile 0 an aktives Potential geschaltet, und die Transistoren T5 und T6 werden durchgesteuert. Unter der Annahme, dass in der Speicherzelle 0,0 T1 leitend und T2 gesperrt ist, wird nun die Spaltenleitung Sp 01 auf das Logik-Potential Null entladen, während die Spaltenleitung Sp 02 auf Batteriepotential geladen bleibt. (Über die als Widerstände geschalteten Transistoren T7 und T8 sind zuvor die beiden Spaltenleitungen, wie auch alle anderen Spaltenleitungen, auf UB aufgeladen worden.).
An den Spaltenadresseingängen (6) muss für unser Beispiel ebenfalls das Bitmuster 0 liegen, so dass der Spaltendecoder über seinen Ausgang 0 die Transistoren T9 und T10 durchsteuern kann. Damit wird dann das Potential der Spaltenleitung Sp 01 auf die Datenleitung 1 und das Potential der Spaltenleitung Sp 02 auf die Datenleitung 2 geschaltet.
Das Koppelglied reicht diese Signale, zu einem einzigen umgeformt, an die E/A-Stufe (7) weiter. Ist CS = 0 und WE = 1, so gelangt die Bitbelegung der Zelle 0,0 auf diese Weise zum kombinierten E/A-Pin Di/Do.
Das Einschreiben in die Zelle 0,0 vollzieht sich bei gleicher Adressgabe sowie bei CS = 0 und WE = 0 so, dass die an Pin Di/Do liegende Bitbewegung vom Koppelglied in ein leistungsstarkes Signal zur pegelrichtigen Belegung der beiden Datenleitungen 1 und 2 umgewandelt wird. Über die geöffneten Transistoren T9 und T10 wird dann bei ebenfalls geöffneten Transistoren T5 und T6 der Trigger der Speicherzelle 0,0 in die gewünschte Lage gekippt. Zu erwähnen bleibt noch, dass bei ES = 1 der Pin Di/Do hochohmig wird und dass der Spaltendecoder in Zusammenarbeit mit den Schalttransistoren T9, T10, T1 l, T12 und den gleichartigen anderen (4) als Spaltenmultiplexer wirkt.
Der im Bild unten dargestellte RAM ist bitorientiert, da immer nur 1 Bit ein- bzw. ausgegeben werden kann. Es gibt aber auch RAM-Typen, die 4-Bit- oder 8-Bit-orientiert sind, also Halbbyte oder Byte ein-/ausgeben können. Dazu müssen die Tristate-Tore in der E/A-Stufe und die Datenleitungen in der Schreib-Lese-Schaltung (4) entsprechend mehrfach vorhanden sein.
Fertigungsnummer ist für Standard MOS-Technologie ist die 21XX - CMOS-Typen tragen die Bezeichnung 62XX bzw. die 65XX
Statische RAM-Zellen bestehen aus FlipFlop-Stufen - das macht sie zwar schnell, aber vergrößert die Fläche
Programmierimpuls und Daten müssen beim Programmieren mehrfach genau definierte Zeit lang anliegen

Blockschaltbild eines statischen CMOS-RAM mit hoher Speicherdichte

Blockschaltbild eines 16 × 4 organisierten SRAM (z. B. 7489)

Blockschaltbild eines 16 × 4 organisierten SRAM mit ProfiLab 2.0 realisiert

Friedrich Salzer hat am 26.1.07 die Entwicklung eines 16 × 4 Bit RAMs auf den Punkt gebracht und uns mal aufgezeigt, wie das Ding in sich logisch wirklich aufgebaut ist - und nur so wird es in der Mikroelektronik wirklich realisiert. Erreicht hat er dies, indem alle logischen Funktionen durch Grundschaltungen (NAND und Negator) ersetzt wurden. Abschließend erreichte mich dazu folgende Nachricht:

Hallo
ich hab mal den ram auf die profi-art aufgebaut. insgesamt hab ich nun 9 Schalter+1 Taster; 140 Inverter ; 1471 NAND's; 94 LED's und 19 Hex-Display verwendet. außerdem hab ich meine maus um 2km 325m 84cm bewegt und den ram zu bauen.
Ich wüsche viel spaß beim verstehen, das meiste beschriftet.
Friedrich

Anmerkung in eigener Sache:

LED's, Schalter sowie Taster und HEX-Anzeigen gehören nicht zum realen Bauelement - alle anderen Komponenten dagegen schon- und: bei der Strecke der Mausbewegungen wollen wir beachten, dass ein Teil der Leiterzüge durch die Kopien bereits vorlag ;-)

Friedrichs 16 4-Bit RAM als GIF-Datei

Friedrichs 16 4-Bit RAM als GIF-Datei

Blockschaltbild eines 256 × 8 organisierten RAM (z. B. 74128)

Blockschaltbild eines 256 × 8 organisierten RAM mit ProfiLab 2.0 realisiert

Lesen Schreiben Tri-State - Nix - oder türkisch: Nyx ;-) Beachte
  • Write ist inaktiv
  • Read ist aktiv
  • Chip-Select ist aktiv
  • Write ist aktiv
  • Read ist inaktiv
  • Chip-Select ist aktiv
  • Write ist inaktiv oder aktiv
  • Read ist inaktiv oder aktiv
  • Chip-Select ist inaktiv
die allermeiste statischen RAM besitzen lediglich einen L-aktiven WRITE-Eingang - Lesen oder Schreiben wird also ausschließlich über dessen Zustand gesteuert ;-)
Liste statischer RAM

6. Dynamische RAM history menue scroll up

Hier lassen sich die Speicherinhalte solange speichern und verändern, wie die Betriebsspannung anliegt. Spannungsverlust führt zu Datenverlust. Statische RAM sind durch ihren internen Aufbau bedingt Kondensator-Transistor-Stufe nicht so komplex, wie statische RAM, aber vergleichsweise sehr langsam. Hauptspeicher eines Computers werden als RAM ausgeführt.

Bei dynamischen RAM (DRAM) kommen zur Prinzipschaltung nach Bild 2.115 noch so viele Auffrischverstärker und die entsprechenden Koppelglieder hinzu, dass beim Refresh-Vorgang alle Zellen einer Zeile auf einmal gelesen und mit ihrem Inhalt neu beschrieben werden können. 
Die Refresh-Steuerung kann auf dem Chip mitorganisiert werden. Bei einfacheren DRAM muss der Refresh jedoch von einer externen Steuereinrichtung (z. B. dem RAM-nutzenden Mikroprozessor) übernommen werden. Bei einigen DRAM-Typen bestehen die Adresseingänge aus Registern, in denen die Adresse zwischengespeichert werden kann. Dadurch wird der Adressbus entlastet, da die Adressbusbelegung nach dem Abspeichern wechseln kann. Adressregister werden auch benutzt, um die Adresse in mehreren Schüben zu übertragen. Dadurch können Adress-Pin eingespart werden.
NVRAM. Alle bisher aufgeführten RAM haben den Nachteil, dass sie ihren Speicherinhalt verlieren, wenn die Versorgungsspannung abgeschaltet wird. Daher hat man NVRAM (nonvolatile RAM = RAM mit nichtflüchtiger Speicherung) entwickelt, die aus der Zusammenschaltung von SRAM mit EEPROM bestehen.
Diese haben drei Betriebsarten:
  • Lesen des RAM (etwa 200 ns/Byte)
  • Schreiben des RAM (etwa 200 ns/Byte)
  • Umspeichern in den EEPROM (etwa 1 bis 10 ms/Byte).

Damit das Retten der Informationen vom SRAM in den EEPROM bei Stromausfall automatisch erfolgt, müssen Stromwächter ständig die Versorgungsspannung beobachten und im Notfall die notwendigen Maßnahmen einleiten. Solche Stromwächter werden bei weiterer Entwicklung auch mit auf dem IC des NVRAM aufgebracht sein, so dass Retten und Wiederübergabe an den SRAM vollautomatisch erfolgen können. Infolge der zusätzlich notwendigen Bauelemente hat ein NVRAM nur 25 % der Speicherkapazität eines EEPROM mit der gleichen Chipfläche.

Fertigungsnummer ist für Standard MOS-Technilogie ist die 44XX - CMOS-Typen tragen die Bezeichnung 52CXX 
DRAM benötigen einen Refresh-Zyklus zum Arbeiten
SIM
DDR-RAM
Liste dynamischer RAM

7. Flash-EEPROM history menue scroll up

Diese spielen natürlich derzeit unbemerkt von Dir eine ganz besondere Rolle, denn sie sind das Arbeitsprinzip jedes MP3-Players oder Memo-Sticks. Die Daten werden einfach per elektrischem "Sondersignal" eingebrannt und mit eben diesem im Bedarfsfall wieder gelöscht. Ansonsten stimmen Aufbau, Funktion, Adressierung sowie auch Decodierung mit der des EPROMS grundsätzlich überein.
Per 2013 übernehmen sie im großen Stil und eben zwischenzeitlich auch mit hinreichenden Kapazitäten die Rolle früherer Festplatten (deren tage sind bis auf Spezialanwendungen) somit gezählt.
SIM
DDR-RAM
Liste FLASH-EEPROM


8. Verwandte Themen history menue scroll up
Landläufig als Peripherie bezeichnet, versteckt sich zwischenzeitlich in diesen Zwergen ein guter Teil der eigentlichen Leistungsfähigkeit eines Computer. Und das ihre Funktion auf der Hardware-Ebene extrem komplex ist, wissen alle die, welche schon mal an der Elektronik geschnuppert haben. Der beste Microcontroller taumelt hilflos ohne einen MAX323 in der Gegend herum, obwohl das nur ein harmloses Kerlchen ist. Aber der hat's in sich!

Logische Grundschaltungen

Mikroelektronik

... und so funktioniert ein Computer

Z80-CPU

der LC-80

POLYCOMPUTER

Logische Struktur einer CPU

   


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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost im Dezember 2004

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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