Các Bộ nhớ

Bộ nhớ

Cho đến nay Công nghệ Thế giới đã phát triển rất phong phú và đa dạng các loại Bộ nhớ theo nhiều nguyên lý ghi/đọc và lưu trữ khác nhau cũng như cho phép ghi được Dung liệu Dữ liệu và Tốc độ trao đổi Dữ liệu khác nhau.

          Bộ nhớ ra đời sớm nhất là loại RAM (Random Access Memory) là loại Bộ nhớ tạm thời chỉ được ghi và xóa trực tiếp bằng điện nhưng Dữ liệu chỉ được lưu khi vẫn còn nguồn điện cung cấp. Nếu bị mất điện áp cung cấp thì Bộ nhớ sẽ bị mất Dữ liệu và sẽ rơi vào trạng thái Ngẫu nhiên (Random).

          Sự phát triển tiến bộ tiếp theo đã cho phép chế tạo được các loại Bộ nhớ chỉ ghi được 1 lần (không xáo được) nhưng ưu điểm của nó là có thể lưu được Dữ liệu gần như vĩnh viễn mà không cần có nguồn điện để lưu Dữ liệu và được gọi là PROM (Program Read Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc Dữ liệu).

          Phát triển vượt bậc hơn nữa là người ta đã chế tạo được Bộ nhớ có thể lưu được Dữ liệu khá bền vững mà không cần phải nuôi bằng nguồn điện trong quá trình lưu trữ Dữ liệu và đặc biệt hơn là khi cần thay đổi Dữ liệu bên trong Bộ nhớ thì có thể xóa sạch Bộ nhớ bằng ánh ánh Tử ngoại sau đó sẽ có thể nạp Dữ liệu mới để thay đổi lại nội dung… được gọi là EPROM (Erase Program Read Only Memory – Bộ nhớ xóa được Dữ liệu và chỉ đọc được).

          Thành công vĩ đại nhất của Công nghệ Thế giới là đã chế tạo được một loại Bộ nhớ rất linh hoạt có thể cho phép xóa và nạp trực tiếp Dữ liệu bằng điện cũng như lưu trữ được Dữ liệu bền vững mà không cần phải nuôi bằng điện áp, đó là loại Bộ nhớ EEPROM (Electrical Erase Program Read Only Memory).
 

·        Mô hình tổng quát của Bộ nhớ

Cho dù là loại Bộ nhớ nào thì tất cả các loại Bộ nhớ đều có chung một Mô hình tổng quát như hình bên đây:

          Các Ô nhớ (mỗi Ô nhớ chỉ có thể lưu trữ được 1 Bit Dữ liệu) sẽ được bố trí liên kết nhau thành một Matrix theo n hàng và m cột tương đương với một tổng Dung lượng là C = n x m Bit Dữ liệu có thể được lưu trữ.

          Thông thường, các Bộ nhớ được chế tạo phổ biến với số hàng là n = 8 (trong một số trường hợp thì n = 16) và số cột được giới hạn tùy theo Dung lượng cần thiết cho Bộ nhớ cần được sử dụng là bao nhiêu Bit.

          Theo ví dụ trên, IC Nhớ có tất cả 12 Địa chỉ đầu vào và Ngõ ra là 8 Bit song song nên các Địa chỉ vào phải được tách thành các nhóm 8 hàng và 4 cột:

          Các Ngõ ra/Ngõ vào của Dữ liệu được sử dụng chung Cổng với nhau tuỳ theo chế độ ghi (nạp) hoặc đọc (xuất) Dữ liệu mà các Cổng I/O_n sẽ trở thành Ngõ vào hoặc Ngõ ra nhờ vào các Mạch Đệm Ra/Vào (Input Buffer hoặc Output Buffer) như được mô tả trên đây.

          Đặc biệt, các Ngõ ra/Ngõ vào I/O_n của IC Nhớ phải là Cổng Logic 3 Trạng thái để có thể cho phép phối ghép nhiều IC Nhớ song song với nhau hoặc ghép được IC Nhớ với các linh kiện khác bên ngoài. Vì vậy, khi chân OE bị đặt ở mức cao thì Trở kháng ra của tất cả các Cổng I/O_n đều có trở kháng cao (hở mạch) để đảm bảo an toàn cho các linh kiện khác hoạt động.
 

·        Các loại Bộ nhớ

§        Bộ nhớ Tạm thời RAM

Bộ nhớ Tạm thời là loại Bộ nhớ đầu tiên trong tất cả các loại Bộ nhớ được chế tạo chỉ để lưu trữ những Dữ liệu tạm thời trong thời gian mà các mạch điện đang hoạt động (đang được cấp điện). Sau khi mạch điện ngừng hoạt động (mất điện cung cấp) thì Bộ nhớ có thể bị mất Dữ liệu.

Tuy nhiên, trong thời kỳ đầu, do chưa chế tạo được những loại Bộ nhớ ‘cứng’ có thể lưu trữ được Dữ liệu kể cả khi bị mất điện thì người ta vẫn sử dụng Bộ nhớ RAM để lưu trữ Dữ liệu cho cả những trường hợp mà các mạch điện không được cấp điện bằng cách phải thiết kế một đường nguồn riêng chạy bằng Pin hoặc Ac-qui cho Bộ nhớ RAM.

Nhờ vậy, khả năng lưu trữ của RAM vẫn có giá trị hữu hiệu trong thời gian rất lâu dài (khoảng 3 ÷ 5 năm tuỳ theo Dung lượng của Pin hoặ Ac-qui để nuôi RAM) và cũng vì vậy các RAM được chế tạo với khả năng tiêu thụ nguồn nuôi rất thấp chỉ vào khoảng vài chục µA cho đến tối đa là 650µA/IC khi ở trạng thái lưu.

Bảng tham số Kỹ thuật nói trên cho thấy khi OE = 1 (cho phép Bộ nhớ ngắt Ngõ ra) thì tiêu thụ của IC chỉ vào khoảng 5µA/Cổng.

Khi OE = 0 (cho phép xuất Dữ liệu) thì dòng tiêu thụ có thể đạt được từ 5 đến 15mA/Cổng để có thể phối hợp với các mạch ngoài có trở kháng thấp.

Điện áp nguồn nuôi lúc hoạt động bình thường là 5V và được nuôi duy trì trong trạng thái lưu trữ Dữ liệu bằng Pin hoặc Ac-qui là 3V ÷ 4,5V.

Các mức Logic đạt 2,4V tương đương mức 1 (tức là H) và 0,5V ÷ 0,8V tương đương mức 0 (tức là L).

Vì vậy, cần phải chú ý giá trị của các mức Logic nói trên khi phối hợp với các IC ghép nối với IC Nhớ sao cho các IC ở mạch ngoài có thể nhận biết được các mức nói trên mà không bị nhầm lẫn (nhiều IC CMOS chỉ nhận mức H trên 3,5V mà không thể nhận được dưới 3V nên mức 2,4V vẫn bị coi là mức thấp).
 

Ø     Các chế độ hoạt động của Bộ nhớ RAM

Mỗi loại IC RAM (tuỳ theo Dung lượng) sẽ được chế tạo khác nhau và cũng sẽ có số lượng các chân điều khiển khác nhau nên phương thức điều khiển và hoạt động khác nhau. Trong nội dung này chỉ trình bày phương thức hoạt động của Bộ nhớ RAM 64KB là loại 6264 (Bộ nhớ RAM 128 KB là 62128, 62256 là 256 KB…) như dưới đây:
 

     Cách đọc Dữ liệu theo phương thức 1:

          Đối với IC nhớ RAM 64KB là 6264 có 2 phương thức để đọc lại Dữ liệu sau khi đã được ghi vào bên trong RAM. Giản đồ trên đây mô tả phương thức đọc Dữ liệu thứ nhất:

          Trong phương thức này, để có thể đọc được Dữ liệu thì CS1 (chân 20) = 0, CS2 (chân 26) = 1 với điều kiện các chân Địa chỉ từ A₀ đến A₁₂ phải được nhập địa chỉ vào để chọn các nhóm Ô nhớ Dữ liệu cần thiết và địa chỉ này đã được giữ ổn định thì lúc bấy giờ OE (chân 22) mới bắt đầu được chuyển từ mức cao xuống mức thấp thì IC mới bắt đầu xuất Dữ liệu ra.

          Vì vậy, trạng thái ‘Previuos Data Valid’ như được mô tả ở giản đồ trên được gọi là trạng thái trước khi xuất Dữ liệu và trạng thái ‘Data Valid’ được gọi là trạng thái xuất Dữ liệu hay còn gọi là Dữ liệu ra có hiệu lực.

          Phương thức này chỉ điều khiển một mình lệnh OE (từ mức cao xuống mức thấp) để xuất Dữ liệu nên được gọi là phương thức điều khiển đơn.
 

      Cách đọc Dữ liệu theo phương thức thứ 2:

          Phương thức thứ 2 để đọc Dữ liệu được mô tả như trên đây. Phương thức này được gọi là phương thức điều khiển phức hợp vì có sự phối hợp điều khiển của các chân lệnh như sau:

Đầu tiên các chân Địa chỉ A₀ ÷ A_n phải được xác lập trạng thái rõ ràng để xác định Địa chỉ nào của Bộ nhớ được xuất Dữ liệu!?

Tiếp đó, chân lệnh CE₁ (hay còn gọi là CS₁ – chân 20) bắt đầu chuyển từ mức cao xuống mức thấp thì đồng thời chân lệnh CE₂ (hay còn gọi là CS₂ – chân 26) sẽ từ mức thấp chuyển lên mức cao.

Sau khi CS₁ và CS₂ đã đạt được xác lập trạng thái ổn định thì chân lệnh cuối cùng là OE sẽ bắt đầu chuyển từ mức cao xuống mức thấp (tức là OE phải được diều khiển trễ hơn so với hai lệnh nói trên), lúc này Dữ liệu bắt đầu được xuất ra (tuy nhiên, theo tính chất Vật lý của Linh kiện, Dữ liệu ra bao giờ cũng bị trễ một khoảng thời gian được gọi là τ_DOE sau khi OE mở Cổng cho Dữ liệu được xuất ra ngoài – thời gian trễ được xác lập như được mô tả ở Giản đồ Trạng thái trên đây).

Cuối cùng, trước khi chọn Địa chỉ khác của Bộ nhớ (của cùng Bộ nhớ hoặc Địa chỉ của Bộ nhớ khác cùng ghép song song với nó) thì lệnh OE phải được chuyển từ mức thấp lên mức cao để đóng Cổng không cho xuất Dữ liệu nữa và kết thúc chu trình xuất Dữ liệu.

          Giản đồ Trạng thái nói trên cho thấy rằng mặc dù sau khi OE đóng Cổng không xuất Dữ liệu nhưng do đặc tính Vật lý/Kỹ thuật nên Dữ liệu ra bị trễ do đáp ứng tự nhiên một khoảng thời gian được gọi là τ_HzOE vào khoảng vài nS sau đó mới chuyển hẳn lên trạng thái trở kháng cao High Z (High Impedance) cho phép ngắt mạch của Bộ nhớ với mạch ngoài.

          Giản đồ trên cũng cho thấy rằng sau khi Dữ liệu bắt đầu được xuất ra ngoài thì ngay lập tức tiêu thụ của nguồn cung cấp cũng bắt đầu tăng cực đại. Cho đến khi kết thúc quá trình xuất Dữ liệu thì tiêu hao nguồn lại trở về cực tiểu.

Chú ý: Chân lệnh WR (lệnh ghi) luôn ở mức cao khi đọc Dữ liệu.
 

     Cách ghi Dữ liệu theo phương thức 1:

          Để có thể ghi (nạp) được Dữ liệu vào Bộ nhớ cũng có 2 phương thức để ghi Dữ liệu khác nhau. Dưới đây là phương thức ghi Dữ liệu thứ 1:

          Trong phương thức này được gọi là phương thức điều khiển WE (chân 27) cần phải thực hiện các tuần tự như dưới đây:

          Đầu tiên, cần phải xác lập Địa chỉ cần ghi một cách ổn định;

          Tiếp theo, chuyển lệnh CE₁ từ mức cao lên mức thấp đồng thời hoặc chậm hơn sẽ chuyển lệnh CS₂ từ thấp lên cao để chọn Chip (tức là cho phép IC Nhớ bắt đầu làm việc – khởi động tất cả các phần tử Logic bên trong của IC Nhớ);

          Chú ý: Để đảm bảo được độ tin cậy của Dữ liệu có thể được ghi vào một cách hoàn chỉnh không bị sai sót thì Cổng Dữ liệu phải được đóng sớm nhất không để Ngõ ra của IC gây đoản mạch với các Cổng cung cấp Dữ liệu của mạch ngoài (tức là Dữ liệu vào đang được chờ sẵn trước khi các lệnh khác bắt đầu được thực hiện nên Ngõ ra của IC Nhớ không được phép hoạt động) bằng cách chuyển OE từ mức thấp lên mức cao (để khoá các Ngõ ra của IC Nhớ).

Vì vậy, theo tuần tự nói trên, thực chất chân lệnh OE phải đóng Cổng sớm nhất và mở Cổng muộn nhất để đảm bảo cho Dữ liệu vào không bị . Trên cơ sở đó, OE được chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao sớm nhất so với tất cả các chân lệnh khác để khoá các Ngõ ra (lúc bấy giờ chỉ có các Ngõ vào của IC Nhớ được phép làm việc để sẵn sàng nhập Dữ liệu vào).

          Sau cùng, chân lệnh WR (lệnh ghi) chính thức bắt đầu thực hiện bằng cách chuyển trạng thái từ mức cao xuống mức thấp để cho phép Dữ liệu chính thức được ghi vào các Ô nhớ bên trong của IC Nhớ.

          Để kết thúc chu trình ghi Dữ liệu, cần phải ngắt chế độ ghi bằng cách chuyển lệnh WR từ mức thấp (đang ghi) về mức cao (sang chế độ đọc) và cùng lúc chuyển CE₁ từ mức thấp lên mức cao cũng như chuyển CE₂ từ mức cao xuống mức thấp.

          Sau khi các lệnh nói trên đã được thực hiện xong thì sẽ kết thúc chu trình ghi Dữ liệu bằng cách chuyển lệnh OE từ mức cao xuống mức thấp để sẵn sàng xuất Dữ liệu.
 

     Cách ghi Dữ liệu theo phương thức 2:

Phương thức ghi thứ 2 được gọi là phương thức điều khiển CE.

Trong phương thức này đối chiếu tham khảo với phương thức điều khiển WE nói trên cho thấy rằng thực chất mọi lệnh khác đều hoàn toàn được thực hiện tương tự nhau chỉ có khác một điều là CE₂ được chuyển trạng thái cùng thời điểm (nghịch phase) với WE (trong phương thức 1 thì CE₂ vẫn chuyển trạng thái sớm hơn so với WE nên WE chuyển trạng thái sau cùng vì vậy mới gọi là phương thức điều khiển WE). Trong trường hợp này lệnh ghi vẫn do WE quyết định thực hiện nhưng vì được điều khiển đồng thời với CE₂ nên trên ‘lý thuyết’ vẫn coi như lệnh ghi được thực hiện bởi sự điều khiển của CE₂.
 

§        Bộ nhớ EPROM 27C64

Bộ nhớ cứng chỉ ghi được một lần duy nhất không xoá được PRROM (không có cửa sổ ló sáng như EPROM) và Bộ nhớ ghi được và có thể xoá được bằng ánh sáng EPROM (nhờ vậy có thể ghi lại được nhiều lần sau khi được xoá) có cấu trúc và chế tạo khác nhau nhưng có cơ chế đọc và ghi Dữ liệu hoàn toàn giống nhau nên có thể được trình bày chung trong cùng nội dung này. Mô hình tổng quát của PROM và EPROM hoàn toàn giống với Mô hình của RAM và được rút gọn như dưới đây (Matrix hàng/cột được ký hiệu bằng x và y):

Hình trên đây mô tả cho thấy cấu trúc khối Logic bên trong, mô hình rút gọn của các chân Dữ liệu Q₀ – Q₇ và các chân Địa chỉ A₀ – A₇ và các chân Điều khiển của IC là P, E và G. Hình bên phải là sơ đồ chân bên ngoài của IC nhớ 2764.

EPROM là loại Bộ nhớ có thể nạp được bằng điện nhưng lại xóa được tia cực tím (có thể dùng đèn tia cực tím chuyên dụng để xóa IC hoặc đưa ra ngoài ánh nắng mặt trời để xóa). Vì vậy, mặt trên IC có một cửa sổ ló sáng hình trong và trong suốt như hình mô tả trên đây có thể nhìn thấy cấu trúc của Chip ở bên trong dành cho việc xóa Dữ liệu bên trong.

Cũng chính vì thế, sau khi đã nạp Dữ liệu vào IC, cần phải bịt cửa sổ này bằng băng keo màu đen hoặc dán kín bằng Decal không cho ánh sáng lọt vào.

          Bảng dưới đây tóm tắt một số thông số kỹ thuật cơ bản ở các chế độ làm việc của Bộ nhớ EPROM (điển hình được giới thiệu là EPROM 64KB có tên gọi là 27C64) cho thấy rằng qui trình sử dụng của EPROM phức tạp hơn so với RAM rất nhiều, đặc biệt khi ở chế độ ghi thì EPROM phải đòi hỏi được cung cấp một điện áp rất cao lên tới 27V để buộc các phần tử Ô nhớ bên trong bị lật trạng thái theo trạng thái của Dữ liệu vào.
 

Ø     Các chế độ hoạt động của EPROM

          Mặc dù cơ chế hoạt động của PROM và EPROM nói chung phức tạp hơn so với cơ chế hoạt động của RAM nhưng cách ghi và đọc Dữ liệu của PROM và EPROM lại chỉ có duy nhất một phương thức không đa dạng như đối với RAM.
 

     Cách đọc Dữ liệu của EPROM 2764:

          Theo giản đồ nói trên, để có thể đọc được Dữ liệu đã được ghi trong PROM hoặc EPROM thì cần phải thực hiện tuần tự các bước dưới đây:

          Tương tự đối với RAM, cần phải xác lập Địa chỉ cần đọc Dữ liệu của Bộ nhớ một cách ổn định tức là phải xác lập trạng thái Logic cho Địa chỉ cần lấy Dữ liệu tức là giá trị của Địa chỉ cần phải được xác định rõ.

          Tiếp theo, lệnh E hay còn gọi là CS hoặc cũng còn gọi là CE (chân 20) phải được chuyển từ mức cao xuống mức thấp để cho phép đặt Bộ nhớ vào trạng thái ‘Stanby’ sẵn sàng xuất Dữ liệu khi có lệnh tiếp theo

          Cuối cùng, lệnh G hay còn gọi là OE – chân 22 (điều khiển Ngõ ra) phải được chuyển từ mức cao xuống mức thấp để cho phép mở Cổng của Bộ nhớ cho phép Dữ liệu được truyền đến các Ngõ ra. Lệnh OE được thực hiện chậm hơn so với lệnh CE (Stanby) để đảm bảo rằng các Dữ liệu cũng như Địa chỉ Dữ liệu cần chọn đã được chuẩn bị sẵn sàng trước khi các Cổng của các Ô nhớ được mở cho Dữ liệu truyền đến các Ngõ ra.

          Chú ý: Khi OE chuyển xuống mức thấp thì Cổng của Bộ nhớ sẽ được mở thì về nguyên tắc là Dữ liệu sẽ xuất hiện tại các Ngõ ra ngay tức thì nhưng do đặc tính trễ Tín hiệu của Bộ nhớ (theo đặc tính Vật lý của Vật liệu Bán dẫn và Công nghệ Chế tạo) nên Dữ liệu ra trên thực tế vẫn xuất hiện tại các Ngõ ra muộn hơn một khoảng thời gian nhất định,

Để kết thúc chu trình đọc Dữ liệu, cần phải chuyển đồng thời OE lẫn CE từ mức thấp về mức cao. Lúc bấy giờ Bộ nhớ ngừng xuất Dữ liệu đồng thời đặt các Ngõ ra lên trạng thái trở kháng cao.
 

     Cách ghi Dữ liệu của EPROM 2764:

          Cách ghi Dữ liệu của PROM và EPROM cũng phức tạp hơn so với RAM rất nhiều vì nó phải phối hợp rất nhiều lệnh với nhau theo sự mô tả của Giản đồ Trạng thái như dưới đây:

          Theo Giản đồ nói trên, cần phải thực hiện tuần tự các bước như dưới đây:

          Bước 1: Xác lập Địa chỉ cần nạp Dữ liệu;

          Bước 2: Đưa Dữ liệu vào cho các Cổng Dữ liệu của IC Nhớ;

          Bước 3: Cấp điện áp cho chân V_PP (thông thường vào khoảng 27V, cần tham khảo thêm các Tài liệu Kỹ thuật đặc trưng của loại IC Nhớ được sử dụng);

          Bước 4: Cấp điện áp Vcc để cho IC Nhớ bắt đầu hoạt động bình thường;

          Bước 5: Chọn IC Nhớ (có thể quá trình nạp sẽ nạp đồng thời nhiều IC Nhớ) bằng cách chuyển lệnh E hay còn gọi là CE – chân 20 về mức thấp;

          Bước 6: Chính thức thực hiện lệnh ghi bằng cách chuyển lệnh P – chân 27 (Programming – được viết tắt là PGM) từ mức cao xuống mức thấp. Lúc này Dữ liệu bắt đầu được nạp vào các Ô nhớ của Bộ nhớ;

          Sau khi Dữ liệu liệu đã được ghi vào Bộ nhớ (thông qua lệnh P đã được chuyển xuống mức thấp và kết thúc lệnh ghi bằng cách chuyển lệnh P trở về mức cao) thì có thể kiểm tra lại Dữ liệu đã được ghi vào có đúng hay không hoặc có bị sai sót gì không thì có thể thực hiện lệnh G tức là OE (chân 22) để kiểm tra bằng cách chuyển OE từ mức cao xuống mức thấp để mở các Cổng của các Ô nhớ theo địa chỉ đã được xác định.

Sau khi kết thúc chu trình kiểm tra, lại chuyển lệnh OE trở về mức cao để ngắt các Cổng của Bộ nhớ.

          Có thể tham khảo thêm Bảng tham số Kỹ thuật trên đây để hiểu rõ thêm bản chất Vật lý/Kỹ thuật của IC Nhớ EPROM:

§        Bộ nhớ EEPROM 2864

Bộ nhớ EEPROM cho phép có thể xóa nạp trực tiếp bằng điện hoàn toàn


Các đặc tính Kỹ thuật của EEPROM cũng tương tự như đối với EPROM ở chức năng đọc (Read) Dữ liệu từ Bộ nhớ và có thể tham khảo như dưới đây:
Đặc biệt EEPROM có chức năng xóa (Erase) cũng bằng điện (EPROM phải xóa bằng tia cực tím, không thể xóa trực tiếp bằng điện).

                                                                      






Ngoài ra, EEPROM có hai chế độ ghi nạp dữ liệu theo hai phương án như dưới đây: