În proiectarea sistemelor digitale, logica secvențială este utilizată nu doar pentru a gestiona starea curentă a automatelor finite, ci și pentru a stoca volume mari de informații/date de uz general. Aceste blocuri de circuite secvențiale de mari dimensiuni sunt denumite memorii.

Caracteristicile primare care definesc un bloc de memorie sunt:

• Capacitatea/Dimensiune: măsurată în biți (b), octeți (B), și multiplii acestora (KB, MB, GB, etc).
• Timp de acces: viteza necesară pentru citirea/scrierea unei date, măsurată tipic în nanosecunde (ns).
• Structura internă: un bloc mare de memorie este construit din mai multe module mai mici de memorie.
• Volatilitatea: proprietatea datelor de a persista (non-volatil) sau de a se pierde (volatil) după un ciclu de alimentare (on-off-on).
• Alterarea datelor: posibilitatea de a rescrie conținutul memoriei după fabricație.
• Modul de acces al datelor: ordinea de accesare a datelor în raport cu timpul (aleatoriu, secvențial).
• Număr de porturi: câte unități hardware pot avea acces simultan la memorie, în același ciclu de ceas.
• Preț: costul de producție
• Tehnologia de fabricație: influențează caracteristicile menționate anterior.

Fiecare soluție este una de compromis ¹⁾, iar în aplicațiile de dimensiuni mari se adoptă o tehnică hibridă, numită ierarhie de memorii.

Memoria unui calculator numeric este organizată ca o ierarhie de module de memorie. La baza ierarhiei se află memoria auxiliară/secundară ²⁾, urmată de memoria principală ³⁾, apoi de memoria cache ⁴⁾, iar în vârful ierarhiei se află registrele generale ale procesorului ⁵⁾.

Memoria cache este o memorie SRAM, utilizată pentru eficientizarea timpului de acces la date a procesorului. Aceasta este încapsulată împreună cu unitatea centrală de procesare (CPU) pentru a facilita viteza ridicată de transfer, eficiența energetică pentru transportul datelor și compensarea timpului de acces la memoria principală.

Memoria principală este o memoria DRAM ce oferă o capacitate mare de lucru (în general de ordinul GB) la un cost rezonabil.

Unul din cele mai simple criterii de clasificare este cel dupa modul de acces:

1. memorii cu acces aleator (Random Access Memory)- datele pot fi citite sau scrise în orice ordine, fără a ține cont de locația fizică a datelor pe mediul de stocare
2. memorii cu acces secvențial - datele sunt citite sau scrise într-o ordine strictă, de ex. succesiune liniară
   • Hard disk, CD-ROM - capetele de citire/scriere se deplasează de-a lungul mediului de stocare.
   • Bandă magnetică - pentru a accesa o anumită porțiune a benzii necesită derularea acesteia.

Din acest punct de vedere există:

1. memorii care au conținut fixat din momentul fabricației (Read Only Memory)
2. memorii care au un conținut pseudo-fixat (număr limitat de cicluri de scriere)
   • EEPROM/Flash: tehnologie pentru care scrierile degradează în timp celulele de memorie.
   • CD⁶⁾/DVD⁷⁾-ROM: datele sunt scrise o singură dată și nu pot fi modificate.
3. memorii care au un continut alterabil
   • HDD, Flash Memory, RAM

1. memorii volatile: datele se pierd atunci când alimentarea cu energie este întreruptă.
   • RAM
2. memorii non-volatile: datele persistă pe mediul de stocare pentru o perioadă îndelungată.
   • HDD, Flash Memory, ROM

În cadrul acestui laborator vom aprofunda memoriile cu acces aleator, volatile (RAM).

Sursă imagini

• Un bit de memorie este implementat folosind bistabile sau latch-uri, fiind necesari între 4 și 6 tranzistori.
• Design-ul facilitează un consum energetic extrem de eficient în idle, însă acesta crește odată cu frecvența acceselor.
• Costul per bit este ridicat și densitatea de biți per chip este scazută.

Sursă imagine

• Un bit de memorie este implementat folosind un tranzistor și un condensator.
• Valoarea este memorată cu ajutorul condensatorului⁸⁾:
  • 0 = un condensator descărcat (fără tensiune electrică între borne)
  • 1 = un condensator încărcat (cu tensiune electrică între borne)
• Necesită circuit de refresh care să reîncarce periodic condensatorul.
• Densitatea de biți per chip este mult mai buna decât la SRAM și se pot obține memorii de ordinul zecilor de GB (exemplu).

În cadrul acestui laborator vom implementa o memorie RAM statică sincronă.

Toate operațiile necesare pentru interfațarea unui chip SRAM sincron sunt controlate de unul sau mai multe semnale externe de ceas. Pentru a funcționa corect toate semnalele de control trebuie să fie valide atunci când are loc tranziția respectivă a ceasului, adică să fie respectați timpii de setup și hold.

Funcționarea unui SSRAM poate fi descrisă prin următoarele semnale:

• Clock: semnalul de sincronizare care marchează momentele în care datele sunt citite sau scrise.
• Address (ADDR or SAx): adresa la care se efectuează operația de citire sau scriere.
• Data Inputs and Outputs (DQs or I/Os): Aceste semnale reprezintă datele care sunt scrise în memoria SSRAM în cazul operației de scriere, respectiv datele care sunt citite din memoria SSRAM în cazul operației de citire.
• Chip Select (CS or SS): activează modulul de memorie, stabilind contextul pentru operațiile ulterioare de citire sau scriere.
• Output Enable (OE or G): permite punerea pe magistrala de date a informațiilor citite de la adresa specificată în prealabil.
• Write Enable (WE or RW): permite scrierea datelor în modulul de memorie la adresa specificată în prealabil, fiind prioritar față de Output Enable.