ذاكرة أشباه الموصلات Semiconductor memory

تعريف ذاكرة أشباه الموصلات:

التعريف: ذاكرة أشباه الموصلات هي عنصر الذاكرة الرئيسي في نظام قائم على الحواسيب الصغيرة وتستخدم لتخزين البرامج والبيانات، عناصر الذاكرة الرئيسية ليست سوى أجهزة شبه موصلة تخزن التعليمات البرمجية والمعلومات بشكل دائم، يمكن الوصول إلى ذاكرة أشباه الموصلات مباشرة بواسطة المعالج الدقيق، ويجب أن يكون وقت الوصول إلى البيانات الموجودة في الذاكرة الأولية متوافقًا مع وقت تشغيل المعالج الدقيق، وبالتالي يفضل استخدام أجهزة أشباه الموصلات كذاكرة أولية.

(ROM ،PROM ،EPROM ،EEPROM ،SRAM ،DRAM) هي ذكريات أشباه الموصلات “الأولية” (primary)، يتم تصنيع ذاكرة أشباه الموصلات من خلال تقنية (CMOS)، توفر ذاكرة أشباه الموصلات سرعة تشغيل عالية ولديها القدرة على استهلاك طاقة منخفضة، أيضًا، يتم تصنيعها نظرًا لأنّ الدوائر المتكاملة تتطلب مساحة أقل داخل النظام.

شرح الرسم التخطيطي لذاكرة أشباه الموصلات:

كما ناقشنا بالفعل أنّ ذاكرات أشباه الموصلات ليست سوى ذاكرة أولية مكونة من أجهزة أشباه الموصلات، بشكل أساسي، يتكون (IC) لذاكرة أشباه الموصلات من عدد (n) من خطوط العناوين (address lines) و(m) من خطوط البيانات (data lines)، وبذلك يتم توفير سعة ذاكرة إجمالية تبلغ (2ⁿ × m) بت. هذا يعني أنّه يحتوي على مواقع ذاكرة (2ⁿ) ويمكن لكل موقع تخزين بيانات تصل إلى (m-bit).

في المخطط لذاكرة أشباه الموصلات: نرى أنّ المخطط يتكون من وحدة فك تشفير عنوان صف وعمود جنبًا إلى جنب مع مصفوفة الذاكرة ومخزن الإدخال / الإخراج، تحتفظ هذه المخازن المؤقتة بالبيانات لفترة زمنية معينة، العدد الإجمالي لأسطر العنوان، أي، (n) مقسم إلى (q وr) ويتم توفيرهما بشكل منفصل كمدخل للصف ووحدة فك تشفير العمود، الناتج من مفككي التشفير هذين يشكلان مصفوفة ذات حجم (2^q × 2^r) بها (2ⁿ) نقاط عبور.

يشار إلى نقاط العبور هذه باسم خلايا الذاكرة، وكل خلية ذاكرة لديها القدرة على تخزين بت واحد من البيانات الثنائية، لذلك، كلما أرسل المعالج عنوانًا إلى (IC) للذاكرة، حدد وحدة فك تشفير الصف والعمود وفقًا لذلك سطرًا واحدًا، والذي يحدد وفقًا لذلك خلية ذاكرة من المصفوفة، بهذه الطريقة، يتم تحديد خلايا الذاكرة من خلال العنوان الذي أرسله المعالج، علاوةً على ذلك، يمكن قراءة البيانات أو كتابتها في خلية ذاكرة محددة وفقًا لإشارة التحكم التي تمّ إنشاؤها.

في البداية، تمّ تصنيع خلايا الذاكرة لذاكرة أشباه الموصلات من مكونات سلبية “خاملة” مثل المقاومة والمكثف، بعد ذلك تمّ استخدام الثنائيات “الدايود” (diodes) أيضًا، ولكن مع ظهور التقنيات الجديدة، احتلت الترانزستورات ثنائية القطب و(MOS) مكان الثنائيات والمقاومات والمكثفات، والآن، يتم تصنيع خلايا الذاكرة باستخدام تقنية (CMOS) و(HMOS) التي تمتلك سرعة تشغيلية عالية مع استهلاك منخفض للطاقة.

أنواع ذاكرة أشباه الموصلات:

في الأساس، يتم تصنيف ذاكرة أشباه الموصلات على أنّها ذاكرة متطايرة (volatile) وغير متطايرة (non-volatile)، الذاكرة المتطايرة هي تلك الذاكرة التي تخزن البيانات مؤقتًا، وبشكل أكثر تحديدًا، يمكننا القول أنّ البيانات مخزنة في ذاكرة متطايرة فقط حتى يتم تشغيل مصدر الطاقة الخاص بـ (IC)، وبمجرد توقف التشغيل، تضيع البيانات المخزنة.

في المقابل هناك نوع الذاكرة غير المتطايرة، يتم الاحتفاظ بالبيانات في الذاكرة حتى في حالة إيقاف تشغيل مصدر الطاقة، وبالتالي يمكننا القول أنّه في الذاكرة غير المتطايرة، يتم تخزين البيانات على أساس دائم، دعونا الآن ننتقل إلى أبعد من ذلك ونفهم التصنيف الإضافي للذاكرة غير المتطايرة والمتطايرة.

الذاكرة غير المتطايرة Non-Volatile Memory:

(ROM): يرمز إلى ذاكرة القراءة فقط، إنّها مجموعة ذاكرة تمت برمجتها بشكل دائم من قبل الشركة المصنعة أو المبرمج مرة واحدة فقط، ومن ثمّ لا يمكن تغيير بياناتها بواسطة المعالج بمجرد برمجتها، وبالتالي يمكن للمعالج قراءة البيانات الموجودة في هذه الذاكرة فقط ومن ثمّ تسمّى ذاكرة القراءة فقط أو الذاكرة الثابتة (fixed memory)، تُعرف عملية تحميل البيانات في ذاكرة القراءة فقط بالبرمجة (programming)، الطريقة التي يتم بها برمجة (ROM) تصنفها بشكل أكبر إلى التالي:

• ذاكرة القراءة فقط (ROM) المبرمجة المخصصة (Custom programmed ROM): تمت برمجة هذا النوع من الذاكرة من قبل الشركة المصنعة في وقت تصنيعها، ومن ثمّ يتم تخزينها بشكل دائم.

• ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة (PROM) (Programmable ROM): يتم برمجة (PROM) من قبل المستخدم ولكنّها توفر إمكانية إعادة البرمجة بعد مسح المحتويات التي تمّ تحميلها مسبقًا، توجد طريقتان يتم من خلالهما مسح محتويات ذاكرة القراءة فقط:

(EPROM): إنّه يرمز إلى ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة، توفر (EPROM) إعادة البرمجة، عن طريق محو البيانات المخزنة مسبقًا عن طريق الاستفادة من الأشعة فوق البنفسجية، يتراوح وقت محو الذاكرة ما بين (10) إلى (30) دقيقة.

في الأساس، تتم إزالة الإلكترونات الموجودة في البوابة المعزولة لترانزستور (MOS) لخلايا الذاكرة عند تعريضها للأشعة فوق البنفسجية، ممّا يسمح بإزالة البيانات المخزنة في خلية الذاكرة من خلال بوابة التحكم، علاوةً على ذلك، من أجل إعادة برمجة (EPROM)، يتم إدخال شريحة الذاكرة في مقبس مبرمج (PROM)، يوفر الكمبيوتر واجهة لمبرمج (PROM) ويقوم المبرمج بتثبيت المعلومات ليتم تحميلها في الشريحة من الكمبيوتر الشخصي.

(EEPROM): اختصار يستخدم لذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة كهربائيًا، في البداية، يتم مسح البيانات الموجودة في (EEPROM) عن طريق تطبيق الجهد الخارجي عند محو دبوس الشريحة، لكن هذا يزيد إلى حد ما من تعقيد النظام ككل، لذلك، توفر أحدث الإصدارات دمج جهد الإمداد داخل الشريحة.

الذاكرة المتطايرة Volatile Memory:

(RAM): تعني (RAM) ذاكرة الوصول العشوائي، إنّها ذاكرة متطايرة ممّا يعني أنّ البيانات مخزنة مؤقتًا حتى يتم تشغيل مصدر الطاقة، تستخدم هذه الذاكرة لتخزين البيانات على المدى القصير، في وقت عملية القراءة، تُظهر ذاكرة الوصول العشوائي طبيعة غير مدمرة.

هذا يعني أنّه أثناء القراءة، لن يتم إتلاف البيانات الموجودة في موقع الذاكرة، لكن كتابة البيانات في موقع الذاكرة حيث توجد بعض البيانات بالفعل سيؤدي إلى تدمير البيانات المخزنة مسبقًا، أو يمكننا القول أنّ البيانات المدخلة حديثًا ستحل محل البيانات السابقة، يتم تصنيف ذاكرة الوصول العشوائي بشكل رئيسي إلى فئتين:

• (SRAM): اختصار لذاكرة الوصول العشوائي الثابتة، تحتوي (SRAM) على مجموعة من (flip-flops) المستخدمة لتخزين البيانات، تتكون خلايا الذاكرة من (flip flops) تحمل البيانات حتى يتم تشغيل مصدر الطاقة.

• (DRAM): هو اختصار لـ (Dynamic Random Access Memory)، إنّها أيضًا ذاكرة قراءة / كتابة تخزن البيانات في شكل شحنات في المكثف وزوج الترانزستور الموجودان في خلية الذاكرة، ومع ذلك، فإنّ الشحنة المخزنة تستغرق بعض المللي ثانية لتبدد، وبالتالي يلزم التحديث الدوري للعناصر، من أجل الحصول على ميزة الوصول العشوائي.