MİKROİŞLEMCİ DİZGİLERİ VE BELLEKLER

mikroişlemci dizgeleri ve bellekler

İrfan ONAY

ler içki büyük kapasiteli yığın bellekler daha az kullanıl dığından (magnetik kasetler ve küçük tekerbelleklere) bu yazıda diğer bellek türleri (yarıiletken salt oku bellek, yaz oku bellek; yük bağlamalı elemanlar; magnetik ka barcıklar) anlatılacaktır.

Bellekler bir de uçucu (volatile) ve uçucu olmayan (non volatile) olarak sınıflandırılırlar. Uçucu bellekte bilgi,diz genin gerilim kaynağı kesildiğinde kaybolur, uçucu olmayanlarda ise bilgi kaybolmaz.

UDK: 621.377 R9.1..3.049.771.14

ÖZET:

Mikroişlemcili dizgelerin tasarımında maliyet konusunda en önemli birim genellikle bellektir. Buyazıda özellikle yarıiletken bellekler anlatılmakta, 1977 yılında bellekler de görülen yenilikler ve yakın gelecekte bellek birimlerini oluşturacak yeni tür bellekler konusunda bilgi verilmek tedir.

SUMMARY in general memory is the most importantunit that effects the cost of a microprocessor based system. This article gives a general review of the most popular memory types (especially semiconductor memories). Also the develop ments in the memory techonology in 1977, and the ne w memory types are briefly discussed.

1. GİRİŞ

2. Y ARIİLETKEN BELLEKLER

Y arıiletken bellekler başlıca iki teknoloji ile yapılmış yongalardır. MOY (metal oksit yarıiletken) bellekler da ha yoğun fakat daha yavaş, çift taşıyıcılı (bipolar) bellekler daha az yoğun fakat daha hızlı olarak imal edilebilirler.

Bu yongalardaki bilgiler tek basamak, iki basamak, sekiz basamak (1 byte) vb. olarak okunup yazılabilirler.

Buna göre bellek dizgesinin uygun şekilde düzenlenmesi gerekir. Şekil 1'de sözcük genişliği sekiz basamak (8 bit 1 byte) olan aynı kapasitede bir belleğin iki değişik tür yonga kullanılarak düzenlenmesi görülmektedir.

.../...

2S6 x8i.

o ıss

uı s n

İS6 nt ıou

Bellekler mikroişlemci dizgelerinde de diğer sayısal elektronik dizgelerde olduğu gibi veri ve/veya işletim programlarının tutulması amacı için kullanılırlar. Bellek teki her sözcüğün kendisine erişilebilmesi ve okuma yaz ma işlemlerinin yapılabilmesi içki tek bir adresi vardır.

Veri yolu

1.1. Bellek Türleri

Sayısal dizgelerde genellikle bir kapasitesi sınırlı ama hız lı merkezi bellek, bir de gerekiyorsa çok sayıda veriyi ya da çok uzun programlan tutmak için büyük kapasiteli fa kat daha yavaş olan yığm bellek birimi bulunur. Y ığın belleklere magnetik tekerbellek (dite), magnetik band (tape), magnetik silindir (drum), plak biçiminde küçük tekerbellek (floppy disc, diskette) örnek gösterilebilir. Merkezi bellek birimi içki ise yarıiletken bellekler, man yetik çekirdekler gibi bellekler kullanılır. Mikroişlemci

Irfan Onay, ANAEM

Şekil 1. Bellek düzenlenmesi.

Birinci örnekte bellek, 8 basamaklık 2 5 6 sözcük tutabi len 4 yonga, ikinci örnekte her biri 1 basamaklık 1024 sözcük tutabilen 8 yonga kullanarak gerçekleştirilmiştir.

2.1. Sak Oku Bellek (SOB) (Rmd Only Memory ROM)

Mikroişlemci dizgelerinde herzaman değişmeden kullanı lacak programlar ve tablolar genellikle salt oku bellek (SOB)te saklanır. Mikroişlemci bu bellekten sadece ko mutları okur ve işler; bu adreslere bilgi yazılmaz. Y az

Sözcük iletkeni Sözcük iletkeni 2 (.1)

Sözcük iletkeni 1 Sözcük İ letkeni 2

2. Kullanıcı laboratuvarında: (Programlanabilir salt oku bellek PSOB) : Kullanıcı her hücresine " 1 " yazılmış SOB'u özel bir cihazla istediği yerlere " 0 " yazarak prog ramlar. PSOB'lar başlıca iki teknolojide yapılırlar:

a. MOY (Metal oksit yarıiletken) PSOB:

Bu teknolojide bellek hücresi bir alan etkili tranzistor (AET)dur. Programlama sırasında " 1 " yazılmak istenilen hücrenin geçidine yük eklenir (Şekil 3) ve tranzistorun kaynak akaç direnci küçük bir değer alır; diğer hücreler yüksek direnç gösterdiği için "0"da kalır. Bu tür bellek yongalarının üstü şeffaf yapılır ve morötesi ışıkla bellek tamamen silinip yeniden programlanabilir.Bu nedenle bu belleklere "silinebilir salt oku bellek" SSOB (Eras able read only memory EROM) denilir.

Kaynak

Yüzen Si Geçit Akaç

a) Silinmiş durumdaki hücre kaynak akaç direnci çok yüksek

Şekil 2. Salt oku belleklerin çalışması oku Bellek (YOB) gerekmiyorsa SOB'un YOB'a birçok üstünlükleri vardır:

* Yonga başına çok daha fazla bilgi saklanabilir. * Daha ucuzdur. * Güç gereksinimi daha azdır. * Uçucu değildir. * Hızlı erişilebilir (35 1250nanosaniye).

SOB'ların programlanması iki şekilde olur.

1 .Fabrikada: Şekil 2 a'da görüldüğü gibi " 0 " yazılmak is tenilen yerdeki bağlantı akım geçirilerek açılır. Bunun için kullanıcı, belleğe yazılacak bilgiyi yapımcıya bildi rir, yapımcı da yonganın yapımı sırasında gerekli yerleri " 0 " layarak istenilen program ya da tabloyu SOB'a ya zar, özel yapım maskesi, gerektiren bu yöntem birkaç bin dolar tutacağından çok fazla sayıda aynı SOB gere kiyorsa ekonomik olabilir.

b) " 1 " yazılmış hücre. Geçitteki eksi yük kaynak akaç direncini küçültür.

Şekil 3.

b. Çift toşıyıcılı (bipoior) PSOB

Çift taşıyıcıh PSOB'larda hücrelerin " 0 " ya da " 1 " ola rak programlanması bazı bağlantıların değiştirilmesi ile sağlanır. Bu bağlantılar 1) " 1 " yazmak için yakılan me tal bağlantılar (genellikle nikel krom), 2) Çığ (avalanche) etkisi ile kısa devre edilen yarıiletken eklemler 3) Poli

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ268

kristalin silisyum bağlantılar şeklinde olabilir. Çift kutuplu belleklerin MOY belleklere belli başlı iki üstünlü ğü vardır: Kısa erişim süresi (~ 0,1 mikro saniye) ve tek bir + 5 volt gereksinimi.

Bugün bazı PSOB'lar morötesi ışık yerine elektrik işaret leri ile silinebilmekte ve daha kullanışlı sayılmaktadırlar. Bunlar "elektriksel değiştirilebilen salt oku bellek EDSOB (Electrically alterable read only memory EAROM) olarak anılırlar.

22. Y az Oku Bellek (Y OB)

Y arıiletken yaz oku bellekler işlem sırasında verilerde ve programlarda değişiklik gerektiren dizgelerde kullanılır lar. Duruk ve devingen (static, dynamic) olmak üzere iki tür Y OB yapılmaktadır. Duruk bellekler bilinen iki du

i'

(Bit iletkeni)

Sezme İletkeni

Sezme Y Ukseltecl

—1 |

Seçme (sözcük İletkeni)

Cıkıs

DçiK

Giriş

DGİR

©

P alttaş

Kanal

rumu kararlı devreler olup devreye gerilim kaynağı bağlı olduğu sürece içindeki bilgiyi saklar. Devingen (dynamic) bellek kullanıldığında ise hücredeki bilginin her 1 2 mili saniyede bir yeniden yazılarak tazelenmesi gerekmekte dir.

Bunun nedeni devingen belleklerde, hücrenin üzerinde yük biriktirilen küçük bir sığaçtan oluşması ve sığacın kaçınılmaz kaçağından dolayı bilginin her birkaç mili saniyede bir yeniden yazılması gereğidir. Duruk bellek ler daha az yoğun olarak yongalarda bulunabilmelerine karşın daha kararlı olup yeniden yazma gerektirmezken, devingen bellekler daha az güç harcamaları ve yonga ba şına daha çok bellek hücresi sığdırılabilmesigibi üstünlük lerinden dolayı kullanım alanları bulurlar.

2.2.1.Y OB'larda Bellek Çevrimleri

Y OB'larda uygulanmaya başlanan yeni bir teknik de, bilinen oku yaz çevrimi (read ıvrite cycle) yanında bir de bellekte belli bir yer adreslendiğinde oradaki bilgi nin okuma işleminden sonra değiştirilmesini ve aynı ad rese yazılmasını sağlayan oku değiştir yaz (read mo dify ıvrite) çevrimidir. Uygulamada özellikle çok sayıda kütük yenileme (füe update) işlemi varsa oku değiştir yaz çalışma biçimi önemli ölçüde zaman kazanılmasını sağlar.

2.2.2.Adresleme Biçimleri, Sayfa Adreslemesi:

Sayfa adreslemesi, bellek teknolojisindeki gelişmelerin sağladığı aynı yongada fazla kapasite olanaklarının yon ganın adres yollan için gerekli bacak sayısını arttırması sonucu zorunlu hale gelmiştir. Doğrudan adresleme ya pıldığında; örneğin 1024 x 1 bellek için 1 adres bacağı ( 2 1 0 = 1024) gerekmekte idi. Sayfa adreslemesinde ise adres yarıdan ikiye ayrılmakta ve biri sütun diğeri satır adresi olarak istenilen hücreye ulaşılmaktadır. Aynı adres yollan sütun ve sıra için kullanılan iki eşzamanlama işa reti ile birlikte hem sıra adresleri hem de sütun adresleri için kullanılabilirler. Böylece örneğin yongada 10 adres bacağı ile 65 536 adrese erişilebilmektedir. (8 adres yolu 2 eşzamanlama yolu, 28 = 256 sıra,2* = 256 sütun, 256 x 256 = 65 536 hücre). Sayfa adreslemesi ayrıca ay nı sıranın değişik sütunlarına erişmede ilave güç harcan masına neden olmadan erişim süresinin kısalmasını sağ lar.

Şekil 4. a) Devingen YOB veriyi küçük sığaçlarda saklar; b) Duruk YOB temel olarak bir İki duraklı dizisidir.

ELEKTRtK MÜHENDİSLİĞİ 258

2.2.3.Y az Oku Bellek (Y OB) Seçimi

Y az oku belleklerdeki son yıllann gelişmeleri bu tür bel leklerin seçilmesini oldukça önemli bir sorun durumuna

getirmiştir. Belleklerin hangi parametrelerinin daha önemli olduğu, yapımcının vereceği bilgilerin nasıl de ğerlendirileceği, tasarımcının dikkatle yanıtlaması gere ken sorulardır:

* Önce güç kaynağı: Mantık devreleri tasarımlarında ge nellikle TTM (tranzistor tranzlstor mantık) devreleri kullandığımızdan tek bir + 5 volt kaynak gerektiren YOB'ları yeğlemeliyiz.

* Belleğin giriş çıkış gerilim düzeyleri ve çalışılabilir en çok gürültü düzeyi genel dizge ile uyuşumlu olmalıdır.

* Yapımcının bellek için verdiği verilerden tipik değer ler yerine en kötü gerilim ve ısı koşulları için verilmiş olan maksimum minimum değerlerin kullanılması güven lik açısından gereklidir.

* Erişim hızı ile kullanılan güç çarpımı belleğin niteliği konusunda önemli bir değerdir. Genellikle erişim zamanı küçüldükçe kullanılan güç artar.

* Genellikle kaynak gerilimine göre belirtilen giriş eşik düzeyi için en kötü koşullar düşünülmeli, çıkışların sür me sorunları için ise kaynak gerilimi en düşükkenki de ğerlerle hesaplar yapılmalıdır.

* Zaman değerleri için dalga biçimlerindeki anma (re ference) noktalarının dalganın yükselen ve düşen kenarla rının % 90'ını kapsamasına dikkat edilmelidir.

* Güç harcaması (P(j) hesabında en iyi çözüm, yapanın verdiği değerden çok, kendi hesaplarımıza güvenmektir.

* Seramik ya da plastik yonga Plastiklerin ısı ile gen leşmeleri yonga bacakları ile yonganın devresi arasında çok ince tellerin kopmasına neden olabileceğinden ısı koşulları kötü ortamlarda seramik yongalar yeğlenmeli dir.

* Durağan (static) YOB'lar; yongada devingenlere göre daha çok yer kaplamalarına karşın daha kararlıdırlar. En hızlı, en çok ısınan, ancak göreli olarak daha az yoğun olan bellekler yayıcıdan bağlaşık mantık (emitter coup kd logic ECL) bellekleri olup erişim zamanı 10 nanosa niyeye kadar düşebilir. TTM bellekler daha az ısınmaları na karşın erişim süreleri daha uzundur. (50 nanosaniye) TMOY (tümler metal oksik yarıiletken) bellekler en az güç harcarlar (bit başına 15 mikrowatt) ancak erişim sü releri 80 1500 nanosaniye arasındadır.

* Devingen (dynamic) YOB'lar:

Bu tür bellekler daha yoğun (daha geniş kapasiteli) ya pılabilmelerine karşın üzerindeki bilginin kalması için

belli aralıklarla aynı bilgiyi tekrar yazmayı gerektirirler. Devingen YOB seçerken oku değiştir yaz biçiminde ça lışabilmek, kaynak geriliminin % 10 değişmesinden et kilenmemek gibi özellikler aranmalıdır. Bugün 4 K (K = 1000) bit devingen belleklerden sonra 16 K bit'lik bellekler de yapılmakta ve bunların erişim zamanlan 100 200 nanosaniye arasında değişmektedir.

3. 1977 Yılında Belleklerde Görülen önemli Yenilikler

1977 yılında daha hızlı, az ısınan (daha az güç harcayan) daha yüksek kapasiteli bellekler yapılması yönünde önem li gelişmeler olmuş, Yük Bağlamalı Elemanlar (Charge Coupled Device • CCD) ve magnetik kabarcık gibi bellek lerdeki gelişmeler bunların yakın gelecekte yoğun bellek olarak kullanılma olasılıklarını artırmıştır.

1977'de görülen en önemli gelişmelerden birisi "silinebi lir salt oku bellek" olarak çok az güç harcayan TMOY (tümler metal oksit yarıiletken) belleklerde olmuştur. (İM 6603 ve İM 6004 4 K bellekleri tek bir + 5 ya da + 10 volt gerilimle çalışırlar ve okuma yazma yapılmaz ken "mikrowatt"lar düzeyinde güç harcarlar. HM 6314 belleğinin erişim süresi 300 nanosaniye, güç harcaması 35 mVV/MHz olup kapasitesi 4 bitlik 1024 sözcüktür.)

SOB'lardaki en önemli gelişmelerden biri 450 nanosani ye erişim zamanlı 750 mW güç harcayan 65 K bit'lik MM 5235 belleğidir. Bu büyüklükteki SOB'ların önemi özellikle mikrobilgisayarlar için BASIC, APL gibi yüksek düzey derleyicilerini tutabilecek büyüklükte olmalarıdır. Elektriksel değiştirilebilen salt oku bellekler de giderek daha çok benimsendiler. 512 bit'ten 8 K bit'e kadar ka pasiteleri olan bu bellekler 2 5 1 0 milisaniyede tekrar programlanabilirler ve bilgiyi 10 yıl kadar saklayabilirler (yaklaşık 105 kez silinip yazılabilirler.)

YOB'larda birçok firma daha hızlı, daha az güç harcayan 4 K ve 16 K bellekler yaptı ("2117" belleğinin erişim sü resi en çok 150 nanosaniye, güç harcaması 465 m W kay naktan çektiği akım 35 mA).

Bellek yapım teknolojisi konusundaki önemli gelişmeler arasında en çok dikkati çeken VMOY teknolojisinin uy gulanması idi (Şekil 5). Bu teknoloji ile daha hızlı, yapı mı daha kolay, giriş kaçak akımı düşük ve elektrostatik bakımdan daha iyi korunmuş durağan 1 K ve 4 K bellek ler yapıldı, örneğin S 4015 türü bellek TTM uyuşumlu olup, tek + 5 volt kaynakla çalışabilir ve erişim süresi 60 nanosaniyedir. Denemeler bu belleğin 70°C ısıda 1000 saatlik çalışmada bozulma olasılığının % 0,017 ol duğunu göstermiştir. Bu aileden 4 K'lık bellekler de ya pılmıştır.C'4016 1 Kx 4 = 4 K; "4017" 4 K x 1 = 4 K )

Poly

be ile de bu yükler yandaki hücreye geçer. Bu yarıiletken

teknolojisinin basitliğinden dolayı binlerce bellek hücre

sini (örneğin 65 K bit) yanyana kaymalı yazmaç (shift

register) şeklinde düzenlemek ve bellek olarak kullanmak

olasıdır.

Bugün piyasadaki bu tür belleklerden "2464" 256 bitlik 256 kaymalı yazmaçtan oluşmuştur. Belli bir hücreye erişmek için geçen ortalama süre 130 mikrosaniye, on dan sonraki yere erişim zamanı 285 nanosaniyedir. TMS 3064 belleği ise 4096 bit uzunluğunda 16 kaymalı yaz maç döngüsünden oluşmuştur (Şekil 7).

Şekil 5. a) VM OY tranzistor yapısı

b) NMOY tranzıstor yapısı

4. SERİ BELLEKLER (YÜK BAĞLAMALI ELEMANLAR VE MANYETİK KABARCIKLAR)

»•

Döngü

•> f I

Seri bellekler yüksek kapasiteli, erişim süreleri magnetik tekerbellekten kısa fakat diğer yarıiletken belleklerden uzun olan birimlerdir. Bunların yakın gelecekte özellikle mikroişlemcili dizgeler için yığın bellek olarak küçük te kerbelleklerin (floppy disc) ve magnetik kasetlerin yeri ni alacağı sanılmaktadır. Bu bölümde kısaca çalışma şe killeri ve kullanılmalarından söz edilecektir.

*l

Döngü Adre «i

"

Tf tt

*

Çoklama Aç cı Çoklayıcı

a)

b)

4.1. Yük Bağlamalı Elemanlar. YBE (Charge Coupled Device CCD)

Bu belleklerde bellek hücresi Şekil 6da görüldüğü gibi N tipi bir alttaş üzerine oksit (S1O2) büyütülmesi ve yak laşık 0,25 x 10 3 cm aralıkla metal iletkenler yerleştiril mesi ile yapılır. Metal plakalar küçük eksi gerilimlerde tu tularak oksit ve alttaş arasındaki yüzeyde (+) yüklerin birikmesi sağlanır, iletkenlere uygulanacak her eksi dar

Y eniden üretlc

—H

r

al Dört adres bacağı hangi döngünün veri olacağını ya da verece ğini belirler. b)Her döngü aslında 32x128x32 bitlik yapı içinde düzenlenmiş seri koşut seri kaymalı yazmaçlardır.

Şekil 7.

METAL İLETKENLER \

4.2. Manyetik Kabarcık Bellekler:

Manyetik kabarcık bellek yongası manyetik olmayan bir 'Gadolinyum Galyum Gamet" alttaş üzerinde "Yitrium Demir Garnet" ince film ve kabarcıkların dolaşması ve okunması için uygun yolların yapıldığı 'Permalloy" bir örüntüden oluşur. Yonganın içinde ayrıca bir sürekli mıknatıs iki mıknatıslama sargısı vardır (Şekil 8). Yon

Şekil 6. Yük bağlaman eleman.

Şekil 8. Tek yongalı paket.

ganin bellek yoğunluğu mm2başına 1500 4 0 0 0 bit ara sındadır. Magnetik kabarcık bellek esas olarak 100 kHZ' lerde çalışan uzun bir kaymalı yazmaçtır. Seri bağlanmış böyle bir yazmaçta erişim süreleri çok uzun olacağından genellikle esas döngü (majör loop) ve yardımcı döngü (minör loop) şeklinde bir düzenlemeye gidilmiştir (Şekil 9). Bilgi her zaman esas döngüden okunur ya da oraya yazılır. Bu düzenlemede erişim süresi tek bir uzun kay malı yazmaç düzenlemesine göre 1/2\ N kez daha kısa dır (N yongadaki bit sayısı). Okuma yazma işlemleri için 90° evre farklı iki saat üreteci ile eşzamanlı akım darbeleri gereklidir ( 5 0 1 0 0 n.A yükseklikte, 0,2 3 mikrosaniye genişlikte). Okuma için yonga çıkışına sez me yükselteçleri bağlanmalıdır.

Uygun sayıda kabarcık bellek yongası yanyana getirile rek yapılacak bellek birimlerinin bugünkü yığın bellekler le yapılan bir karşılaştırması Çizelge 1 de görülmektedir. Kabarcık belleklerin bugünkü sorunu henüz yeterli sayıda tümleşik devre çevrebirimleri ve arabirimlerin yapılma mış olmasının kullanıcıya getirdiği ek donanım gereksin mesi olup, bu sorunun yakın gelecekte çözümleneceği sa nılmaktadır. Ayrıca şu sıralarda laboratuvarlarda gelişti rilen yeni kabarcık belleklerin çalışabilecekleri ısı alanı 120°C ye kadar çıkmış olup, hızları da 300 kHZ'a ulaş

ÇİZELGE 2: IBM 0103 KABARCIK BELLEĞİNİN ÖZELLİKLERİ

Kullanılan kapasite Yazmaç düzeni Sürme alanı hızı (ençok) Giriş/çıkış hızı (ençok) Yardımcı döngü veri hızı (en çok) Ortalama erişim süresi (ilk bit) Ortalama dönem süresi (144 bit blok) Güç Çalışma sıcaklığı alanı (engeniş) Saklanma sıcaklığı alanı (engeniş) Büyüklük Bacak sayısı Bacak aralığı Ağırlık İzin verilen enbüyük magnetik alan

92 304 bit 641x144 100 kHz 50 kb/san 100 kb/san 4 msan 12,9 msan 0,6 W 0° den 70° C'a 40'dan 85°C'a 2,5x2,75x1 cm. 14 0,54 cm 20 gr. 40 Oersted

mıştır. (Çizelge 2'de 92 K bitlik TBM 0 1 0 3 Kabarcık bel leğinin özellikleri görülmektedir.)

Kabarcık belleklerin yük bağlamalı belleklere üstünlüğü uçucu olmamalarıdır. Yük bağlamalı bellekler ise daha hızlı (erişim süresi ~ 100 mikrosaniye) olup, güvenirlikle ri benzer yarıiletken teknolojisi ile yapılan bellekler dü zeyindedir.

S«zme

,

Şekil 9. Esas/yardımcı döngü düzeni

ÇİZELGE 1 800 BPI Küçük Kabarcık

Kaset Tekerbellek Bellek

Kapasite

2,4

Bit hızı

Erişim Süresi

(Ortalama) 20

Ağırlık

1,4

Güç

Hacim

Yarıiletken Hayır

Değiştirilir

Ortam

Evet

Eşzamansız Evet

2,0 250

0,46 4,5 150 8İ94 Hayır

Evet Hayır

1,024 Mbit

KHz

0,08 0,5 15 410 Evet

Saniye Kg. W cm3

Olanaklı Evet

KAYNAKLAR

1. "Special Report: Semiconductor Memories", Electro nics, C. 50 No. 2, S. 8 1 , 20 Ocak 1977.

2. "Facus on Semiconductor Memories", Electronic Design, C 25, No. 17, S. 56,16 Ağustos 1977.

3. "Bubles Appearing as Microprocessor mass storage", Electronics, C. 50 S. 81,16 Ağustos 1977

4. Gebler Peter, "Memories", Electronic Engineering, C. 49, No 591 ,S.81, Nisan 1977

5. Gibson A.T., "Magnetic Bubbles Memory Systems", Electronic Engineering, C.49, No 587, S. 36, Ocak 1977

6. Gebler Peter, "Semiconductor Memories", Electronic Engineering, C.50, No 604, S.117, Nisan 1978

7. 'TROM User's Guide", Pro Log Corporation (kitap ç.k)

8. "Microcomputers", SYBEX, A 1. (kitapçık)