bağlar ortak BÖLÜM 3

YARIİLETKEN BELLEKLER

En basit mikrobilgisayar CPU ve bellekten oluşur. Her ne kadar böyle bir

bilgisayarda kullanıcının bilgisayarla haberleşmesi mümkün değilse de, giriş / çıkış

birimini gerektirmeyen programların icrası rahatlıkla yapılabilir. Giriş / çıkış işlemi

CPU’nun gerçeklemek zorunda olduğu önemli işlemlerden biri olmasına rağmen, basit bir

mikrobilgisayar yapılabilsin diye, burada önce yarıiletken bellekler incelenecektir. Eski

teknolojilerde yarıiletken bellek yerine “çekirdek (core)” bellek kullanılırdı. Besleme

geriliminin kesilmesi durumunda bile içindeki bilgiyi kaybetmemelerine rağmen; büyük

hacimli, yavaş, pahalı, ve az sayıda bit tutma kapasitelerinin olmasından dolayı yerlerini

yarıiletken belleklere kaptırmışlardır. Burada dört çeşit yarıiletken bellek incelenecektir.

1. Yaz-Oku bellek, RAM

2. Yalnız-Oku bellek, ROM

3. Programlanabilen ROM, PROM

4. Silinip-progranlanabilen ROM, EPROM veya E2PROM

3.1 YAZ-OKU BELLEK (RAM)

RAM bellekler statik veya dinamik olmak üzere iki farklı saklama hücresine sahip

olabilir. Statik RAM bir flip-flop düzenidir. Burada her flip-flop bir bitlik bilgi saklar.

Besleme gerilimi devam ettiği sürece, bilgi flip-floplarda saklı kalır. Dinamik RAM

belleklerde, saklayıcı hücre olarak flip-flop yerine kondansatörün yük birikiminden

yararlanıldıgından devrenin boyutları oldukça küçültülmüştür. Ama kondansatördeki yük

bir süre sonra boşalacağı için aynı verinin yeniden belleğe yazılması, yani tazelenmesi

(refresh) gerekmektedir. Bu yüzden dinamik bellek adı verilmiştir.

RAM bellekler bipolar, MOSFET (p- veya n- türü), ve I2L devre teknolojisine

dayanılarak yapılabilmektedir. Bipolar bellek ile I2L bellek yaklaşık eşit hızda çalışır ve

MOS belleklere göre daha hızlıdır. Buna karşı MOS belleklerin bilgi saklama kapasiteleri

büyüktür.I2L ve MOS bellekler bit başına mw mertebesinde güç harcadıkları halde, bipolar

bellekler miliwat mertebesinde güç harcar. Bu yüzden bipolar bellek ancak küçük kapasiteli

hızlı belleklerinin gerekli olduğu özel uygulamalarda veya bilgisayarın bazı kısımlarında,

örneğin aritmetik müsvedde bellek olrak kullanılır.

3.1.1 Statik Bipolar RAM

Statik bellek hücresi iki tranzistörden oluşan bir iki kararlı devredir, Şekil 3.1.

Hücrede saklanan bilgiye bağlı olrak bu tranzistörlerden biri iletimde diğeri tıkamadadır.

Her tranzistör hem saklama hem de erişim için iki emitere sahiptir. Eğer emiter-baz eklemi

yeterince ileri kutuplanmış ise, böyle bir transistör iletimde olur. Tranzistörlerin durumu,

iki emiterden hangisinin daha alçak potansiyelde olduğuna bağlıdır.

Şekil 3.1. Statik bipolar RAM’ın yapısı.

Bellek elemanının bulunduğu satır seçilmiş ise bu satır seçme hattı alçak olur, ve bu

hata bağlı her iki tranzistörün alt emiterleri de alçağa gider. Bu durumda bu bellek hücresi

iki kararlı devre olrak davranır ve içine en son ne kaydedilmiş ise onu saklar. Seçme hattı

alçak yapıldığı zaman T1 tranzistörü iletimde idiyse, T1’in kollektörü de alçağa çekilmiş

olur ve bu da T2 tranzistörün bazının alçak olmasına yol açar. Bu yüzden T2 tıkamada kalır.

Bu tıkama T2’nin kollektörünü ve T1’in bazını yüksek yapar. T1’in bazının yüksek olması

T1’i iletime sokar, bu da daha önce varsayılan durumdur. Sonuç olarak bu varsayılan durum

kararlıdır, yani kendi kendini devam ettirir. Simetriğe göre, T2’nin iletimde ve T1’in

tıkamada olması da kararlıdır. Görüldügü gibi, bu devre çapraz bağlı iki NAND

kapısından oluşan bir flip-flop’a benzer. Doğrusu bu devrenin her tranzistör katı, 2-girişli

bir NAND kapısı görevini görür.

Bellek hücresinin bulunduğu satır seçilirse, o seçme hattı yüksek olur, ve bu hatta

bağlı her iki tranzistörün alt emiterle rini de yüksek yapar. Sonuç olarak, her iki

tranzistörün iletim durumu kendi üst emiterine bağlı olur. T2’nin üst emiteri 1.5 V’ta

sabittir. Bu yüzden devrenin durumu T1’in üst emiter gerilimini 1.5V’a göre ayarlayarak

değiştirilebilir. Özellikle, T1’in üst emiterine bağlanan veri hattı alçağa çekilirse, T1 iletime

geçer. T2’nin kollektör gerilimi 1.5V’tan büyük olduğundan ve bu gerilim de T1’in baz

gerilimi oldugundan, T1’in üst baz-emiter eklemi T1’i iletime sokacak kadar ileri

kutuplanmış olur.T1 iletimde olunca T2’nin bazını alçağa çeker ve T2 tıkamaya geçer. Bu

devre durumu hücrede lojik-1’in saklanmasına karşı düşer. Zıt devre durumu, T1’in üst

emiteri yüksek yapılarak elde edilir. Bu durumda T1 tıkanır, ve bu da T1 kolektörü ile T2

bazının yüksek olmasına neden olur. Bu ise T2’nin iletime geçmesini sağlar. Bu durum

lojik-0‘a ilişkindir.

Sütunlardaki T1 tranzistörlerinin üst emiterlerine bağlanan veri hattını sürmek için

her sütunda bir NAND kapısı kullanılır. NAND girişlerinden biri veri diğeri de yazma

girişidir. Yazma lojik-1 iken, veri girişindeki lojik-1 NAND kapısı çıkışının sıfır olmasına

neden olur, ve böylece seçilen bellek hücresinin lojik-1 ile yüklenmesini sağlar. Veri

girişindeki lojik-0 ise NAND çıkışını lojik-1 yapar, bu da seçilen hücreye lojik-0

yazılmasına yol açar.

Yazma hattı lojik-0 yapılırsa, yazma yerine okuma olayı meydana gelir.Bu durumda

hiçbir bellek hücresinin içeriği değişmez. Okumanın olabilmesi için her sütunda bir akım

algılama yükselteci kullanılmıştır. Bu yükseltec yazma hattı sıfır olduğu zaman

yetkilendirilir. Yetkilendirilen yükselteç gerisini yani veri hattını 1.5V’luk gerilimde tutar.

Bu durum seçilen satırdaki hücre durumunun değişmesini önler.Çünkü her iki tranzistörün

üst emiterleri aynı gerlimde olur. Ayrıca bu yükselteç veri hattından akan akımı algılayarak,

buna karşı düşen gerilimi veri çıkış hattında lojik-0 veya -1 olarak üretir. Eğer seçilen

hücrenin T1 tranzistörü iletimde ise (yani hücrede lojik-1 saklanmış ise) bu emiterden

yükseltece doğru bir akım akarak (çünkü seçilen hücredeki tranzistörlerin alt emiterleri

yüksektir) yükseltecin, veri çıkış hattında lojik-1 üretilmesi sağlar. Seçilen hücredeki lojik-

0 için, T1 iletimde olmaz ve bu yüzden yükseltece akım akmaz. Bu durumda veri çıkış hattı

sıfır olur .

Böyle bir bellekte sütunlar iki farklı biçimde bağlanabilir. Birincisinde bu sütunlar

bir bellek kelimesini farklı bit konumlarına karşı düşürülebilir.Yani aynı adresle seçilen

hücreler olarak görülebilir. İkincisinde ise farklı bellek kelimelerinin aynı bit konumlarına

karşı düşürülür.Yani farklı adreslerdeki bitler olarak değerlendirilir. Bu durum bir sütun

adres kod çözücünün kullanılmasını ve tranzistörlerin emiter sayısının üç olmasını

gerektirir.

3.1.2 Statik MOS RAM

Statik MOS bellek devresi Şekil 3.2’de gösterilmiştir. Bilgi saklama hücresi yine iki

kararlı devre veya flip-flop’tur ve 6 adet n-kanal yaratmak MOS tranzistörden oluşur.

Bipolar RAM ile arasındaki en önemli fark, kullanılan tranzistör türüne ilaveten, bellek

hücrelerine erişim biçimidir .MOS bellekte , seçilen satırdaki hücreden veya hücreye bilgi

iletmek için her sütunda iki tümleşik veri hattı vardır. Her sütundaki bellek hücreleri veri

hatlarına normalde tıkalı olan MOS tranzistörlerle bağlıdır. Bu bağlama tranzistörleri her

iki yönde akım akıtan çift yönlü anahtar olarak çalışır. İki yönlü çalışabilmesinin sebebi,

alttabakalarının (substrate) kaynaktan (source) ziyade toprağa (ground) bağlı olmasıdır.

Böyle bir tranzistörün geçidi (gate) yeterince pozitif yapılmadığı zaman, kaynak ile akaç

(drain) arası iletken olur. Bu durumda tranzistör her iki yönde iletebilir; çünkü böyle bir

tranzistör simetrisi, gerekirse kaynak ile akaç rollerinin değişmesine izin verir.

Her satırdaki bellek hücrelerinin bağlama tranzistörlerinin geçitleri (gate) satır

seçme hattına bağlıdır. Seçilen satırdaki bağlama tranzistörleri iletime geçer. Bu yolla, veri

hatları ile her sütundaki seçilen hücre arasında bilgi kanallanır.

Şekil 3.2 . Statik MOS RAM ’ın yapısı.

Yazma işlemi, veri giriş hattındaki değere göre iki tümleşik veri hattından birini

alçağa çekmekle gerçekleştrilir. Alçağa çekme, seçilen satırdaki bellek hücresinin gerekli

durumu almasını sağlar. Veri hatları MOS tranzistörlerle sürülür. Süren tranzistörün geçidi,

AND kapısının çıkışına bağlıdır.Yazma hattı, her sütunun her iki süren tranzistörü için bir

koşul yaratır. Halbuki veri giriş hattı, sağ ve sol tranzistörler için birbirinin tümleyeni olan

koşullar yaratır.Yazma lojik-1 olduğu zaman eğer veri girişi lojik-1 ise, sağ tranzistör

kapısı yüksek olur ve sağ tranzistör iletime geçer. Bu durum seçilen satırdaki bellek

hücresinin sağ tarafını alçağa gitmeğe zorlar. Bu da aynı hücrenin sol tarafını yükseğe

sürer. Bu kararlı durum lojik-1 saklamaya karşı düşer. Lojik-0 yazılması benzer tarzda

yapılır.

Eğer yazma hattı lojik-0 yapılırsa, hiçbir tranzistör iletime geçmez ve bellek

hücresinin durumunda bir değişme olmaz.Veri hatlarında, seçilen satır hücresinin durmuna

karşı düşen değer bulunur; çünkü o hücrenin bağlama tranzistörleri iletimdedir. Özellikle

sol veri hattı seçilen hücrede saklanan değeri alır. Bu yüzden okuma işlemi yanlız sol veri

hattını gerektirir.

3.1.3 Dinamik MOS RAM

Dinamik MOS bellek biriminin yapısı Şekil 3.3’te gösterilmiştir. Bellek hücresi,

kondansatör ve T2 MOS tranzistöründen oluşan bir saklayıcı cihaza dayandırılmıştır.

T2’nin kaynağı ile geçidi arasına bağlanan kondansatör, gerçekte geçit elektrodu ile alt

tabakanın paralel yerleştirilmesinden dolayı , her MOS tranzistörde var olan geçit-alttabaka

kapasitesidir. Böyle bir bellek hücresinde veri saklama T2’nin iletkenliği ile ilişkilidir. Bu

iletkenliği kondansatördeki yük belirler. Eger kondansatör, T2’nin geçit gerilimi yeterince

pozitif yapacak kadar yüklenmiş ise, T2 iletken olur. Bu durum lojik-0’a karşı düşer. T2’nin

iletken olamaması lojik-1’i gösterir. Kondansatördeki yük zamanla boşalacağından lojik-F

kendini uzun süre devam ettiremez. Bu durum lojik-1 için geçerli değildir.

Şekil 3.3. Dinamik MOS RAM ın yapısı.

Bilgi saklama amacıyla kullanılan kondansatör ve T2 tranzistörünün yanında,

hücreyi veri hatlarına bağlayan iki MOS Tranzistörün olması gerekir. Biri seçilen hücreye

verinin yazılması, diğeri seçilen hücreden verinin okunması için olmak üzere her sütun iki

veri hattına sahiptir. T1 tranzistörü , veri yazma hattını seçilen hücrenin kondansatörüne

bağlayan çift yönlü anahtardır.T1 aktif iken, kondansatör veri yazma hattı üzerinden

yüklenir veya boşaltılır. T3 tranzistörü ise, veri okuma hattını seçilen hücredeki T2’nin

akacına (drain) bağlar. T3 aktif iken, hücrenin durumu veri okuma hattı ile algılanır.

Her okuma veya yazma işleminde bir hücrenin kondansatörüne veri transfer

edilir.Bellek yazma işleminde kondansatöre yazılacak bilgi, veri giriş hattından gelir.

Bellek okuma işleminde ise bilgi, veri okumöa hattından gelir; yani hücredeki eski bilgi

tekrar hücreye yazılır.

Kondansatöre gönderilecek uygun veriyi seçmek amacıyla dört kapıdan oluşan bir

lojik kullanılır. Bu veri seçici, veri giriş hattını veya veri okuma hattını seçebilmek için

yazma işaretinden yararlanır. Okuma işlemi için yazma hattından lojik-0 uygulanır, ve veri

okuma hattı seçilir. Seçilen hücrede kondansatörü dolu ise T2 iletimindedir, ve VDD gerilimi

RD üzerinde düşerek çıkış sıfır olur. Aksi halde çıkış yüksektir.

Daha önce açıklandığı gibi, bir hücrede lojik-0 tutulması için kondansatöre

yüklenmiş olması gerekir. Yüklü kondansatör, kaçaklardan dolayı zamanla boşalır. Bir süre

sonra bu yük lojik-1 için gerekli seviyenin altına düşer. Bu durum meydana gelmeden önce,

hücrenin tazelenmesi (refresh) gerekir.Tazeleme işlemi okuma yaparak gerçekleştirilir.

Sonuç olarak, dinamik belleklerin kullanılması belirli zaman aralıklarıyla her bir satırın

tekrar tekrar tazelenmesini gerektirir. Bu zaman süresi genellikle birkaç milisaniye

mertebesindedir. Satır sayısını küçük tutabilmek için, dinamik bellek birimleri genellikle

farklı kelimelerin sütunlarını seçmek için iki yönlü veri seçici kullanan iki boyutlu

adresleme yapısı içinde organize edilir. Bu yolla daha az tazeleme işlemi gerekir, çünkü bir

satırdaki tüm kelimeler birlikte tazelenir. Bu yüzden tazeleme işlemi daha küçük adres

gerektirir. Uygulamada tazeleme özel bir donanımla sağlanır ve bilgisayarın bellek

birimlerine erişiminin askıya alınmasını gerektirir.

Dinamik RAM statik RAM’a göre daha fazla dış devre gerektirir. Buna ragmen

dinamik RAM kullanmamızın nedenleri vardır. En büyük üstünlüğü saklama hücresinin

daha az tranzistör gerektirmesinden dolayı bir bellek yongasında bulunabilecek saklama

hücre sayısının oldukça büyük olmasıdır. Diğer üstünlüğü, kendisine erişildiği zaman güç

kaynağından fazla akım çekmemeleridir. Bu durum tüm bellek yongasında harcanan gücün

büyük ölçüde azalmasına yol açar. Çoğunlukla, harcanan maksimum güç hücre sayısını

sınrlayan en önemli faktör olmaktadır. Bu yüzden dinamik RAM’lar b büyük saklama

kapasiteli yapılabilmektedir.

3.2 YALNIZ-OKU BELLEK (ROM)

Bilgisayar ve diğer sayısal sistemlerde, bellek birimleri çoğu kez sabit bilgi kaynağı

olarak kullanılır. Bu sabit bilgi kaynaklarına örnek olarak sabitler listesi, veri dönüşüm

tabloları, ve değişmeyen programlar verilebilir. Böyle durumlarda belleğin kullanıldığı

sistemde içeriğinin değiştirilmesine gerek yoktur. Böyle bellek birimleri mevcuttur ve

içerikleri değiştirilmeyip yalnız okunduğu için yalnız-oku bellek (ROM) adıyla çağrılır.

Bellekteki bilginin değişmemesi I

istendiğinden besleme gerilimenin kesilmesi durumunda bile içeriği değişmeyecek

biçimde imal edilir. Bu özelliklerinden dolayı saklama kapasiteleri çok büyük yapılabilir,

çünkü bellek hücreleri çok basit yapılı olabilir.

Rasgele erişimli yalnız-oku belleğin temel yapısı Şekil 3.4’de gösterildiği gibi,

birçok OR kapısının bağlandığı bir adres kodçözücüden ibaret olrak kurulabilir.

Kodçözücü çıkışları bire-bir bellek alanlarına karşı düşer. Her OR kapısı, bellek

kelimelerinin bir bit konumunu temsil eder. Bellek kelimesindeki bir bitin değeri,

kodçözücünün çıkış hattını OR kapısının giriş hattına bağlayarak 1 yapılır, aksi halde

sıfırdır. Şekil 3.4’teki örnekte 0 adresindeki kelimelerin birinci, ikinci, ve sonuncu bitleri

11...0 dır. Benzer şekilde 1 ve 2n -1 adreslerindeki kelimelerin birinci, ikinci, ve sonuncu

bitleri sırasıyla 11...1 ve 00...1’dir.

Yalnız-oku bellek, satır seçme hatları ile OR kapısı girişleri arsında bağ yapma

imkanını kullanıcıya tanıyabilir. Böylece istenilen bilginin belleğe koyulması mümkün

olur. Buna belleğin programlanması denir. Aşağıda bu tür programlanabilen ROM’lar

incelenecektir.

Şekil 3.4. Yalnız-oku belleğin (ROM) yapısı.

3.3 PROGRAMLANABİLEN ROM (PROM)

PROM kullanıcı tarafından yalnız bir kere programlanabilen bir ROM’dur. Bu

bellekler genelikle üretimden sonra kapalıdan-açığa veya tersine çevrilebilen bir bağ’a

sahiptir. Kapalı-açık dönüşümü yapmanın en genel yolu nikel-krom sigortadan yapılmış

yanabilen bir bağ yapmaktır. Bu bağ dışardan yeterli büyüklükte bir akım verilerek seçime

bağlı olarak yakılabilir. PROM belleğin yapısı Şekil 3.5’te gösterilmiştir. Bu bellek

biriminde biri okuma diğeride program olmak üzere iki çalışma modu vardır. Herhangi

andaki çalışma modunu Vcc besleme gerilimi belirler. Okuma modu için Vcc= 5V, program

modu için Vcc=10V’tur. Okuma modu işaretini üretmek için eşik devresi Vcc gerilimine

bağlanır. Okuma modunda (Vcc< 7.5 V) iken , okuma modu lojik-1 dir. Okuma modu

işareti yonga seçme işareti ile birlikte kullanılarak hem satır seçme hatlarının

yetkilendirilmesinde hem de veri çıkış hatlarının yetkilendirilmesinde kullanılır.

Yonga seçme işareti ile okuma modu işaretinin OR’lanmış degeri, satır adres kod

çözücünün çıkışlarıyla NAND’lanarak satır seçme işaretleri üretilir. Okuma modunda

okuma modu işareti lojik-1 olduğu için OR kapısı çıkışı 1 olur. NAND kapıları adres

kodçözücü çıkışlarının tersini alır. Verilen adrese karşı düşen satır seçme hattı lojik-0 olur,

diğer seçme hatları ise lojik-1 dir.

Eğer bir sütun ve seçilen satır için sigorta yanmamış ise o sütun için veri hattı

alçağa çekilir, aksi halde yükseğe sürülür. Okuma modunda çıkış yetkilendirme işareti 3-

durumlu sürücüyü yetkilendirerek veri hattındaki lojik seviyenin çıkışa geçmesini sağlar.

Şekil 3.5. Sigorta bağlı programlanabilen ROM.

Program modunda Vcc gerilimi 10V ’a yükseltilir.Vcc=10V olması, okuma modu

işaretinin lojik-0’a gitmesine neden olur. Bu durum seçme yetkisi işaretini yonga seçme

işaretine bağlı kılar bu yüzden ancak yonga seçme lojik-1 ise, verilen adrese karşı düşen

satır seçme hattı lojik-0 olur. Okuma modu işaretinin lojik-0 olması çıkış yetki işaretini

sıfır yaparak çıkış sürücüleri yüksek-z durumuna sokar.Verilen adrese karşı düşmeyen satır

seçme hatları yaklaşık 10V’a yükseltilir.

Sigortayı yakabilmek için önce adres bilgisi ve yonga seçme işareti uygulanır, ve

daha sonra akım kaynağından uygun veri çıkış hattına belirli bir akım (örneğin 65 mA)

akıtılır.Bu akım gerilime -duyar anahtar üzerinden belirlenen sütunun veri hattına geçer. Bu

anahtar akım kaynağı tarafından uygulanan V gerilimi 5V’u aştığı zaman kapanır. İstenen

akımın akması için uygulanan gerilimin yeterince yüksek olması gerekir. Uygulanan akım

lojik-0 olan satır seçme hattına bağlı sigorta ve diyot üzerinden akar. Diğer satır seçme

hatları 10 V olduğunda, uygulanan akımdan çok az pay alırlar. Zaten Vcc=10V yapılmasının

nedeni budur. Uygulanan akım kısa süre sonra sigortanın erimesine sebeb olur. Bu süre

sonunda yonga seçme işareti kaldırılır. Bu işlem yakılacak diğer sigortalar için tekrarlanır.

PROM’un programlanması için ilave hat kullanılmadığına dikkat edilmelidir.

3.4 SİLİNİP PROGRAMLANABİLEN ROM (EPROM VEYA E2PROM)

EPROM, silinip tekrar programlanabilen ROM’dur. Bu bellek birimi, seçime bağlı

olarak kapalı duruma ve ortak olarak açık duruma sokulabilen bir bağdan yararlanır. Tüm

bir duruma sokulunca önceki bilgiler silinmiş olur, ve programlanması esnasında istenen

bağlar zıt durumlara sokulur.

EPROM hücresi, istendiğinde tekrar eski durumuna getirilebilen yüzen geçit adı

verilen özel bir bağ içeren özel bir MOS tranzistörden yapılmıştır, Şekil 3.6. Bu tranzistör,

yalıtkan ile çevrelenmiş bir kapı elektrodu içeren ve normalde kapalı olan n-kanallı MOS

tranzistördür. Yüzen geçide bağlı herhangi bir bacak yoktur, ama buna rağmen kendisine

negatif yük kazandırılabilir.

Negatif yük, elektronların yalıtkan üzerinden akaçtan geçide çekilmesiyle

sağlanır.Yüksek değerli akaç-kaynak gerilimi (15-20V) p tipi malzemede (kanalda)

elektron enjeksiyonuna yol açar. Geçit gerilimi (25V) akaç geriliminden yüksek olduğu için

elektronlar yüzen geçide çekilir, ve orada tutulur. Bu elektron geçişi akaç ile yalıtkan

arasındaki eklemde meydana gelen delinmenin sonucudur.Yüzen geçitten bu elektronlar

özel olarak kaldırılmadıkça hemen hemen sonsuza dek orada kalır. Belli bir birikmeden

sonra elektron geçişi durur.Yüzen geçitte elektronların tutulması Vth’yı artırır, ve tranzistör

akım akıtamaz, Şekil 3.7. Seçme geçidine uygulanan gerilimin oluşturacağı kanal, yüklü

yüzen geçit tarafından yok edilir.Yüzen geçit yüklenmemiş ise Vth küçüktür ve seçme geçit

gerilimi kanalın oluşmasını rahatça sağlar. Böylece sütun hattı VDD gerilimine yükselir.

a) EPROM hücresinin kesiti b) EPROM hücresinin sembolik gösterimi

Şekil 3.6. EPROM’un yüzen geçitli nMOS kanal yaratmalı tranzistörü.

EPROM ’un yeniden programlanabilmesi için yüzen geçitte saklanmış yüklerin

atılması gerekir. Elektronların dağılabilmesi için her bir elektronu yalıtkandaki iletim

enerjisi bandına getirmek zorunludur. Yüzen geçit alanına tutulan ultraviolet ışık, yerterli

düzeyde enerji vererek elektronların birbirlerini itip yüzen geçitten ayrılmalarını sağlar.

Elektronlar SiO2 yalıtkanın içine yayılır, ve alttabaka içine çekilirler. Elektronların

bulunduğu bölgeye ışğın verilebilmesi için EPROM’lar normal cam pencere yerine

ultraviolet ışığa saydam olan quartz pencere kullanır. Silme süresi kullanılan ışık şiddetine

bağlıdır.

Bu özel tranzistörleri kullanan bir EPROM şöyle yapılabilir. Bellek birimindeki her

bir sigorta yerine, bu yüzen geçitli tranzistörlerden koyulur. Ayrıca kapıyı yükleyecek

gerekli gerilimin uygulanması amacıyla, her bir yüzen geçitli tranzistörün seçimine izin

veren bir devre dahil edilir. Bu seçme işlemi adres ve veri çıkış hattını gerektirir.

Şekil 3.7. Geçit yükünün EPROM MOSFET iletkenliğine etkisi.

Elektrikle silinip programlanabilen ROM (E2PROM) yukarıda anlatılan EPROM ’a

oldukça benzer. E2PROM, programlama ve silme problemlerini iki basit teknik sayesinde

çözmektedir. Birincisi programlama gerilimi yonga üzerinde üretilerek programlama işlemi

basitleştirilir. 25 voltluk dış bir kaynak yerine, standart 5V luk besleme geriliminden

gerekli programlama gerilimini üretmek için yük pompası adı verilen bir devre kullanır.

İkincisi, veriyi silmek için ultraviole ışık kullanmak yerine, E2PROM’un yüzen geçidinden

yüklerin uzaklaştırılmasına izin vermek için, elektron enjeksiyon olayını tersine çeviren bir

iç bağlantı vardır.

E2PROM bellek hücresi, biri bellek diğeri seçme tranzistörü adıyla anılan iki

tranzistöre sahiptir, Şekil 3.8. Bellek tranzistörü, içinde alt geçidin yüzdüğü çift-

yığınlaşmış polisilikon yapıdan oluşur. Küçük ince oksit (150 A0 dan küçük), yüzen geçidi

akaçtan yalıtır; ve yüzen geçide ve yüzen geçitten elektron enjeksiyonu için alan (yer)

sağlar. Akaç toprağa bağlanmışken satır hattına bir kaç milisaniyelik yüksek gerilim

darbesi uygulamak, akaçtan yüzen geçide giden bir elektron tünelinin açılmasına sebep olur

(silme işlemi). Satır hattı topraklanmış iken akaca benzer bir darbenin uygulanması, yüzen

geçitten akaca giden elektron tünelinin oluşmasını sağlar (yazma işlemi). Bellek matrisine

bu cihazın eklenmesi, silme veya yazma işlemleri esnasında rahatsız edici istenmeyen

hücrelerden sakınmak için, Şekil 3.8’de gösterilen her bit için ilave seçme tranzistörleri

gerektirir.

Şekil 3.8 . E2PROM saklama hücresi.

3.5. BELLEK UYGULAMALARI

Buraya kadar çeşitli belleklerin bit saklama hücrelerinin elektronik yapıları,

hücrelere erişim yöntemleri, ve çalışmaları anlatıldı. Şimdi belleklerde bulunabilecek

bacaklar ve bellek yongaları kullanılarak bellek sistemlerinin nasıl yapılacağı

açıklanacaktır.

RAM’a verinin yazılabilmesi için bit hücre adresi ve yazma yetki işareti (WE)

sağlanmalıdır, Şekil 3.9. Ayrıca küçük saklama kapasiteli bellek yongalarından büyük

bellek sistemleri oluşturulmuş ise, hangi yongadaki verilerin değerlendirileceğini

tanımlayabilmek için birde yonga seçme işareti (CE) kullanılmalıdır. Bir bellek yongasında

farklı lojik seviyelerle aktiflenebilen birden çok yonga seçme (CE) girişi bulunabilir.

Seçme girişlerinin fazla olması, bellek yongalarının çok sayıda cihaz tarafından basit bir dış

devre yardımıyla seçilebilmesine imkan verir. Bazı bellekler veri girişine izin verdiği anda,

veri çıkışlarının kapalı olmasını yani yüksek-Z de olmasını gerektirebilir. Bu özellik çıkış

yetki (OE) girişi yardımıyla sağlanır.

RAM yongada bitlerin saklandığı çok sayıda bellek hücresi vardır. Bu hücreler

dikdörtgen matrisi şeklinde dizilmiştir. Bu matriste her satır ve sütun ayrı bir adres hattına

sahiptir. Yazma veya okuma işleminde herhangi bir bellek hücresine erişmek için bir satır

birde sütun hattı yetkilendirilir, ve böylece bu seçme hatlarının kesim noktasındaki hücre

aktif duruma sokulur. 64-bitlik bir bellek 8´8 lik bir hücre matrisine, ve 1024-bitlik bellek

ise 32´32’lik hücre matrisine sahiptir.

Şekil 3.9. Bipolar RAM yongasının blok yapısı.

Hücrelerde saklanan veri bitlerinin alçak gerilim seviyelerini algılayan ve yonga

çıkışında kullanılabilecek seviye yükselten bir yükselteç bütün yongalarda vardır. Ayrıca

veri giriş tamponları ve okuma/yazma komutlarını oluşturan lojik devreler vardır.

3 5.1 Adres Kodçözümü

Kodçözücünün görevi, adres girişindeki bitleri paralel kelimeyi, 1-bitlik seçme

(yetki) çıkış hattında bir doğru (lojik-1) seviyesine dönüştürmektir, Şekil 3.10. Diğer tüm

çıkış hatlarını mutlaka yanlış yapmalıdır.

Şekil 3.10. Adres kodçözücü

2- bitlik adres kodçözücünün AND kapılarıyla gerçeklenişi Şekil 3.11’de

gösterilmiştir. Daha büyük adreslerin kodu çözülmek istenseydi, daha çok girişli AND

kapıları gerekecekti, ve sonuçta adres yoluna gelecek yük artacaktı. Çoğu teknolojiler için,

bu faktörler maksimum adres uzayını 32 veya 64 olarak sınırlar.

Şekil 3.11. 2-bitlik adres kodçözücü.

Bu problemler Şekil 3.12’deki düzen yardımıyla çözülebilir. Burada adres bilgisi

anlamlı ve anlamsız parçalara bölünür, ve adres uzayı doğrusal dizi biçiminde değil 2-

boyutlu matris biçimde görülür. Verilen bir adres, kodçözücülerin satır ve sütun çıkışları

üzerindeki doğru seviyelerin çakışmasıyla belirlenir. Matrisin har elemen konumundaki 2-

girişli AND kapısı bu çakışma algılayıcısı olarak kullanılabilir; ama çoğu kez bu AND

görevi, adreslenen elemanın kendi içinde gerçekleştirilir.

Çoğu kodçözme uygulamasında, adres uzayındaki tüm adresler geçerli değildir. Bu

gereksinim, istemeyen adreslere karşı düşen çıkış kapıları ihmal edilerek hayata

geçirilebilir. Ayrık kapılı kodçözücünün kullanılabildiği uygulamalarda, bu gereksinim

çoğu kez işlemci tarafından giriş / çıkış devrelerinin adreslenmesinde ortaya çıkar, Şekil

3.13. Anlamlı adres bitlerinin kullanılmadığına, ama her adres için anlamsız 4-bitin değeri

9 olduğu zaman kodçözücü çıkışının geçerli olduğuna dikkat ediniz. Bu durum büyük

adreslerin kullanılmaması durumunda doğrudur. Aksi halde AND kapısı girişleri

artırılmalıdır.

Şekil 3.12. Matris adres kodçözücü.

Şekil 3.13. Belirli bir adresin kodçözücüsü.

Uygulamada ayrık adres kodçözücü yerine tek yonga kodçözücülerin kullanılması

bilgisayar sistem basitliği açısından önemlidir. Veri dağıtımı yapan ve demultiplexer olarak

bilinen yongalar kod çözmede çok elverişlidir. m-bitlik kodçözücünün 2m adet çıkışı

olması gerektiğinden, demultiplexer yongalarını girişleri çok bitlik yapılamaz. Çok bitli

adresin kodu çözüleceği zaman, bu yongalardan Şkil 3.14’te gösterildiği gibi birden çok

kullanılmalıdır.

Şekil 3.14. İki adet 2-4 demultiplexer’dan 3-8 demultiplexer’ın yapılışı veya 3-

bitlik kodçözücü.

3.5.2 Bellek Sistemi

Piyasadaki bellek yongaları bilgisayarın bellek haritasını doldurabilecek kadar

büyük kapasiteli olmadığından, genellikle çok sayıda yongadan oluşmuş bellek sistemleri

kullanılır. Bellek yongaları adres kodçözücüler yardımıyla belirli adreslere oturtulur.

Aşağıda bu modüllerin yapılışına ilişkin bazı örnekler verilecektir.

16K×2 bitlik bellek yongalarından 4 adet kullanılarak 16K×8 bitlik bellek

modülünün nasıl yapılacağı Şekil 3.15’te gösterilmiştir. Bu yongaların 14-bitlik adres

girişleri birbirne bağlanmıştır. Herbir yonganın bitlik bellek yongaların çıkışı serbest

bırakılarak 8- bitlik çıkış elde edilmiştir. Bu bellek modülü bellek haritasında 0-16K arasını

işgal eder ve kodçözücü gerektirmez.

Şekil 3.15. 16K×2 bitlik bellek yongalarından 16K×8 bitlik sistem yaparak bellek

haritasının ilk çeyreğine oturtuluşu.

Eğer 16K×8 bitlik yongalardan 64K×8 bitlik bir sistem yapılmak istenseydi, o

zaman belleklerin adres girişleri ve veri girişleri kendi aralarında Şekil 3.16’daki gibi

birbirine bağlanır. Herbir bellek yongasının bellek haritasında ayrı bir adrese oturmasını

sağlamak için, kodçözücü kullanılması gerekir. Burada belleğin sadece bir yonga seçme

girişi olduğu varsayılmıştır.

Şekil 3.16. 16K×8-bitlik bellek yongalarından 64K×8-bitlik bellek sistenminin

yapılışı.

3.5.3 Dinamik Bellek Sistemi

Dinamik bellek normalde büyük bellek sistemi yapılmak istendiği zaman kullanılır.

Dinamik belleğin en büyük sakıncası periyodik olarak tazeleme veya yeniden yazma

gerektirmesidir. Çünkü bu bellekler yazılan veriyi ancak birkaç milisaniye tutabilir.

Tazeleme ya biraz iç donanım ile (Z80 CPU’da olduğu gibi) mikro işlemci

tarafından veya dış donanım ile bir dinamik RAM bellekleri tarafından yapılır. Tazeleme

lojiği bellek yongasında bulunan sahte sitatik RAM cihazlar hayata geçirilmek üzeredir.

64K×1- bitlik Dinamik RAM. Şekil 3.17’de 64K×1-bitlik MK 4564 dinamik

RAM yongası gösterilmiştir. 64K×8-bitlik RAM oluşturabilmek için bu yongadan 8 adet

kullanılmalıdır. Bu belleğin kullanılması için bazı ilave donanıma ihtiyaç vardır.. Bunlar

adres çoğullayıcı, tazeleme sayıcı ve tazeleme zamanlama lojiği donanımlarıdır.

Şekil 3.17. 64K×1 bitlik MK 4564 yongasının bacakları.

Adres çoğullayıcı.. Bu dinamik RAM 16- bitlik adres gerektirdiği halde, A0-A7

olmak üzere 8- bitlik adres yoluna sahiptir. Bu yüzden 16-bitlik adres iki aşamada bu adres

yolundan belleğe gönderilir. Böyle bir çalışma adres çoğullamayı gerektirdiğinden iki adet

74157 kullanılarak 2/1’e çoğullaması yapılır, Şekil 3. 18.

Tazeleme sayıcısı.. Bu sayıcı mikro işlemciye, DRAM denetleyiciye koyulabilen,

veya PSRAM’da olduğu gibi bellek içinde inşa edilen bir sayıcıdır. Bu DRAM iç

yapısından dolayı 128 tazeleme periyodu gerektirdiğinden, buradaki tazeleme sayıcısı 7-

bitlik ikili bir sayıcı olmalıdır. Bu bellek 128 satırlı olrak organize edilmiştir, ve her satır

bir bellek okuma veya yazma esnasında tazelenmelidir. Bu sayıcı tazeleme periyodu

esnasında DRAM’a bağlanır, ve her tazeleme periyodu sonunda bir artırılır. Tazeleme

zamanlama işaretlerinin nasıl üretileceği ileride anlatılacaktır.

Şekil 3.18. 16- bitlik adresi dinamik RAM ’a iki aşamada yerleştiren çoğullayıcı.

Gizli tazeleme.. Çoğu mikroişlemciler emir kodunun alınması ve kodunun

çözülmesi için bellek okuma işleminden daha uzun zaman gerektirdiğinden, dinamik

belleğin tazelenmesi için bu kodçözme süresi çok uygun bir zaman olabilir. Genelde bu

durumlarda okuma ve yazma işleminden sonra tazeleme yapmak için gerçekten yeterli

zaman olmaktadır. Bu tür tazelmeye gizli tazeleme denir, çünkü gerçekleştirilmesi için

mikroişlemciden ek bir zaman alınmaz. Başka bir tazeleme yöntemi CPU’yu WAIT

durumuna sokmaya dayanır. Verimliliğinden ve geniş uygulama alanı olmasından dolayı,

burada gizli tazeleme yöntemi incelenecektir.

Dinamik RAM zamanlaması.. MK 4564 dinamik RAM belleğin zamanlama

diyagramı Şekil 3.19’da verilmiştir. Satır adresi, RAS satır adresi yazma işareti ile

belleğin adres girişlerine uygulanır. Bu işaret satır adresini iç kaydediciye sokar ve burada

bir bellek periyodu boyunca tutulur. En az 30-65 ns lık bir tRCD gecikmesinden sonra,

sütun adresi ve CAS sütun adresi yazma işareti uygulanarak sütun adresi iç kaydediciye

yazılır. Böylece bellekteki veriye erişilmeye başlanır.

Mevcut periyot esnasında okuma işareti uygulanırsa, seçilen adresin içerği RAS

işaretin sıfıra dönmesinden sonra 150 ns içinde veri çıkış uçlarında görülür. CAS işareti

bire dönünceye kadar, çıkış uçlarındaki veri geçerli ve kararlı kalır.

Okuma ve yazma periyotları arasındaki en önemli fark WR girişinin seviyesidir.

Bu giriş, CAS yükseğe gitmeden önce alçak yapılmalı ve yazmanın yapılabilmesi için en

az 45 ns süre alçak tutulmalıdır.

Tazeleme periyodu, okuma veya yazma işleminden sonra herhangi bir anda

gerçekleştirilebilir.BelleğinRAS girişi sıfıra çekilerek tazeleme yapılır. Bu tazeleme

darbesi 150 ns genişliğinde olmalı ve RAS en azından 100 ns süre yüksek olmadıkça yeni

tazeleme yapılmamalıdır

64K ×8 -bit DRAM Arayüzü.. 64K×8- bitlik bellek sistemi oluşturabilmek için

sekiz DRAM kullanarak CPU’ ya yüzleştirilişi Şekil 3.20’de gösterilmiştir. Veri giriş ve

çıkış uçlarını, CPU’nun veri yoluna yüzleştirmeyi sağlayan bir çift 8216 iki- yönlü yol

sürücüsü kullanılmıştır.

Adres yolu, RAS ile denetlenen bir çift 74157 çoğullayıcısına bağlanmıştır. A0 -7

veya A8-15 den hangisinin ikinci çoğullayıcı takımı tarfından bellek dizisine bağlanacağı

RAS işaretiyle belirlenir. Bu ikinci çoğullayıcı, bellek adresini veya 7-bitlik tazeleme

sayıcısından gelen tazeleme adresini seçer. Tazeleme sayıcısı, RFSH işaretriyle saatlenir

ve tazeleme periyodu esnasında içeriği bellek dizisine uygulanır. Tazeleme periyodu

sonunda bu sayıcı RFSH işartetinin pozitife geçişiyle bir artırılır.

Şekil 3.19. 64K×1-bitlik MK 4564 dinamik belleğin zamanlaması ve AC

karakteristikleri.

Şekil 3.19’un devamı

Şekil 3.19’un devamı.

Şekil 3.20. 8 adet MK 4564 dinamik bellek yongası kullanan 64K×8-bitlik dinamik

bellek sistemi.

Tazeleme Zamanlama Lojiği. Bu bellek arayüzünün zamanlaması Şekil 3.21’deki

devre yardımıyla üretilebilir. Bu devrede kullanılan 25 MHz’lik saatin çıkışı 74S163

sayıcısına uygulanmıştır. Mikroişlemci bir bellek erişimi gerektirdiği zaman, bu sayıcı

sıfırlanır. Sayıcının en anlamlı iki biti OR kapısına bağlandığından; RAS işareti, bellek

istediğinden itibaren dört saat periyodu boyunca üretilir. Devrenin ürettiği tüm işaretler

Şekil 3.22’de gösterilmiştir.

RAS’ın düşme kenarı JK flip -flopun Q çıkışını birler, ve bu da CAS’i sıfırlar.

RAS’ın düşme kenarı ile CAS’ın düşme kenarı arasındaki zaman farkı yaklaşık olarak 23 -

35 ns dir. CAS işareti, periyoda sebep olan RD veya WR darbesinin yükseğe döndüğü

andaki bellek periyodunun sonunda bire döner. Bu dönüş, JK flip-flop’un asenkron SET

girişi sayesinde başarılır.

Şekil 3.21. Bellek sistemi için denetleme işaretlerinin üretimi.

Şekil 3.22. Denetleme işaretlerinin zamanlam diyagramı.

RFSH tazeleme işareti, sayıcı çıkışlarının 10xx ikili değerini alması ve RAS

işaretinin yükseğe gitmesinden yaklaşık 140 ns sonra üretilir. Sayıcı 1100 değerine eriştiği

zaman sayma durdurulur, ve bir sonraki RD veya WR işareti gelinceye kadar bu durumda

kalır.

Bellek periyodu yeterince hızlı bir CPU’da yaklaşık her 1ms’de bir kere meydana

geleceğinden; belleği tazelemek, okumak, ve yazmak için tüm zamanlama gerekleri

kolayca karşılanabilmektedir. Kullanılan bu tazeleme türüne gizli tazeleme denir, çünkü

tazeleme her okuma ve yazma işlemi ile meydana gelir ve mikroişlemciden ilave zaman

gerektirmez.

Bu tür tazelemede yalnız bir problem vardır. Eğer mikroişlemciden uzun süren

doğrudan bellek erişimi için yollar istenirse, bellek okuma ve yazma işlemi meydana

gelmez ve tazeleme gerçekleşmez. Bu yüzden bellekteki bilgiler de kaybolur. Ayrıca Halt

emirinin koşulması yine CPU’nun susmasına neden olcağı için tazeleme işlemi kesintiye

uğrayabilir. Ama uygulamada bu duruma sık raslanmadığından bu yöntem rahatça

kullanılabilmektedir.