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现代非机械记忆

现在我们可以继续研究特定类型的数字存储设备。首先,我想探索一些不需要任何移动部件的技术。正如人们可能怀疑的那样,这些不一定是最新的技术,尽管它们很可能在未来取代移动部件技术。

一种非常简单的电子存储器是双稳态多谐振荡器。能够存储一位数据,它是易失性的(需要电源来维持其内存)并且速度非常快。 D-latch 可能是用于内存使用的双稳态多谐振荡器的最简单实现,D 输入用作数据“写”输入,Q 输出用作“读”输出,使能输入用作读/写控制线:

如果我们需要多于一位的存储(我们可能会这样做),我们将不得不在某种阵列中排列许多锁存器,我们可以在其中选择性地寻址我们正在读取的哪个(或哪个集合)或写给。使用一对三态缓冲器,我们可以将数据写入输入和数据读取输出连接到公共数据总线,并使这些缓冲器能够将 Q 输出连接到数据线 (READ),将 D 输入连接到数据线 (WRITE),或将两个缓冲器都保持在 High-Z 状态以断开 D 和 Q 与数据线的连接(未寻址模式)。一个内存“单元”在内部看起来像这样:

当地址使能输入为 0 时,两个三态缓冲器都将处于高阻模式,并且锁存器将从数据输入/输出(总线)线断开。只有当地址使能输入有效 (1) 时,锁存器才会连接到数据总线。当然,每个锁存电路都将通过不同的“地址使能”(AE) 输入线启用,该输入线来自 1-of-n 输出解码器:

在上述电路中,16 个存储单元通过输入解码器的 4 位二进制代码单独寻址。如果一个单元没有被寻址,它将被它的内部三态缓冲器从 1 位数据总线断开:因此,数据不能通过总线写入或读取到该单元或从该单元读取。只有由 4 位解码器输入寻址的单元电路才能通过数据总线访问。

这个简单的存储器电路是随机存取和易失性的。从技术上讲,它被称为静态 RAM .其总存储容量为 16 位。由于它包含 16 个地址并具有 1 位宽的数据总线,因此它将被指定为 16 x 1 位静态 RAM 电路。如您所见,构建一个实用的静态 RAM 电路需要数量惊人的门(每个门需要多个晶体管!)。这使得静态 RAM 成为一种密度相对较低的设备,每单位 IC 芯片空间的容量低于大多数其他类型的 RAM 技术。由于每个单元电路消耗一定量的功率,因此大量单元的总功率消耗可能相当高。个人计算机中早期的静态 RAM 库消耗了相当多的功率并产生了大量热量。 CMOS IC技术使得静态RAM电路的比功耗降低成为可能,但存储密度低仍然是一个问题。

为了解决这个问题,工程师们转向电容器而不是双稳态多谐振荡器作为存储二进制数据的手段。一个微型电容器可以用作存储单元,配有单个 MOSFET 晶体管,用于将其连接到数据总线以进行充电(写入 1)、放电(写入 0)或读取。不幸的是,这种微型电容器的电容非常小,而且它们的电荷往往会很快通过任何电路阻抗“泄漏”。为了对抗这种趋势,工程师设计了 RAM 存储芯片内部的电路,该电路将定期读取所有单元并根据需要为电容器充电(或“刷新”)。尽管这增加了电路的复杂性,但它仍然需要比由多谐振荡器构建的 RAM 少得多的组件。他们称这种类型的存储器电路为动态 RAM ,因为它需要定期刷新。

IC 芯片制造的最新进展导致了闪存的引入 内存,其工作原理类似于动态RAM,采用电容存储原理,但使用MOSFET的绝缘栅极作为电容器本身。

在晶体管(尤其是 MOSFET)出现之前,工程师必须使用由真空管构成的门来实现数字电路。可以想象,与晶体管相比,真空管的巨大的相对尺寸和功耗使得静态和动态 RAM 等存储电路实际上是不可能的。还开发了其他相当巧妙的技术,可以在不使用移动部件的情况下存储数字数据。


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