HAFIZA BİRİMLERİ VE MİKROİŞLEMCİLERLE KULLANILMALARI NELERDİR?

Hafıza Birimlerinin Tanımları, Fonksiyonları

Bütün mikroişlemci tabanlı sistemlerde çalışabilecek minimum konfigürasyonda Merkezi İşlem Biriminin yanında Hafıza Birimleri yer almaktadır. Sistem programlarının ve sabit değerlerin üzerinde yer aldığı Salt Okunabilir Hafızalar (Read Only Memory – ROM) ile bütün değişkenlerin, değişken değer alabilen tabloların yer aldığı ve geçici işlem hafızası olarak kullanılan Okunabilir-Yazılabilir Hafızalar (Read-Write Memory veya Random Access Memory – RAM) bulunmadan bir mikroişlemcinin çalışması mümkün değildir.
Yukarda ifade edildiği gibi hafıza birimleri temel fonksiyonlarına göre ikiye ayrılmaktadır. Bu hafıza çeşitleri hakkında biraz daha ayrıntılı bilgi şöyle verilebilir:
ROM (Read Only Memory – Salt Okunabilir Hafıza)
Üzerinde yer alan komut kodlarının artan adreslere doğru sırayla birer birer MİB tarafından okunup icra edilmesi nedeniyle zaman zaman Sıralı Erişimli Hafıza olarak da anılır.

ROM

Ana grupla aynı adı taşıyan bu alt grup hafıza türünde, sistem programları, fabrikada hafıza entegresinin üretimi esnasında entegre devrenin üzerine kaydedilir. “Factory Mask” (Fabrikada Maskeleme) adı verilen bu yöntemde, mikroişlemci tabanlı sistemi üreten firma istediği programa ait kodları, mikroişlemci entegresini üreten kuruluşa teslim eder ve aynı programa sahip yüksek miktardaki (en az binlerce adet) ürünü teslim alır.
Normal ürün fiyatının yanında maskeleme işlemi için de sabit bir ücret alınmaktadır. Bu ücret üretilen entegre sayısı ile değişmediğinden ne kadar yüksek adetli üretim gerçekleştirilirse entegre başına düşen birim maliyet (maskeleme ücreti) o kadar az olmaktadır. Örneğin INTEL firması 8051’in maskeleme işlemi için 3,000 US$ ücret almaktadır. Eğer 300 mikroişlemci programlattırırsanız 10$, 3,000 adet üretilirse 1$, 30,000 adet üretilirse 0.1$ ek birim maliyet söz konusu olacaktır.

Cihaz üretimi esnasında ek bir programlama işlemini gerektirmeme avantajına karşılık bu ürünlerin gerektiğinde değiştirilme imkanı olmadığından güncel piyasa şartlarına pek uygun değildir. Önceden belirlenmiş olan kodlar, bir hatanın belirlenmesi, yeni bir özellik eklenmek istenmesi veya programların tamamen değiştirilmek istenmesi durumlarında hiç bir müdahale yapılamadan üstelik yüksek adetlerde firmanın elinde kalmakta ve bu da büyük bir dezavantaj olarak değerlendirilmektedir.

PROM – Programmable ROM

Programlanabilir-ROM lar temel olarak ROM lar ile aynı özelliklere sahiptir. Fakat özel bir programlayıcı donanım yardımıyla sadece bir kere olmak şartıyla içine yazma işlemi yapılabilir. Yüksek adetli üretim yapmayan veya zaman içinde aynı ürünün farklı modellerini üretmek isteyen firmalar tarafından tercih edilir.
OTP (One Time Programmable – Bir Kez Programlanabilir) ROM olarak da adlandırılan bu ürünlerin birim fiyatı ROM lara göre biraz daha yüksek olmakla birlikte kazandırdığı esneklik nedeniyle avantajlıdır. Ancak üretici firmanın bu entegreleri programlamak için özel bir donanıma sahip olması ve kullanılacak bütün PROM ların bir eleman tarafından programlanması gerekmektedir.

EPROM – Erasable PROM

Silinebilir PROM lar da temel olarak ROM lar ile aynı özelliklere sahiptir. Fakat özel bir cihaz yardımıyla içindeki bilgiler silinebilir. Bu sayede tekrar tekrar programlanabilme özelliği kazanan bu tür hafıza entegreleri program geliştirirken çeşitli denemeler yapılmasına imkan verdikleri için büyük avantaj sağlarlar. Ancak PROM lara göre yüksek maliyetleri nedeniyle daha çok program geliştirme aşamasında, AR&GE laboratuarlarında, vb yerlerde kullanılırlar.
Entegre devrenin kılıfında, silikon chip’in bulunduğu yerin üst kısmı şeffaf bir malzeme ile örtülüdür. Ultraviyole ışık altında belirli bir süre kalan hafıza entegresinin üzerinde kayıtlı olan program silinir. Böylece tekrar programlanabilir hale gelen ürün tekrar tekrar farklı programların denenmesi ve cihazın çalıştırılması için kullanılabilir.
Silme işlemi esnasında belirli şartlara dikkat edilmemesi (gereğinden fazla süre UV ışığa maruz kalmak, yüksek ışık şiddetine sahip UV ampul kullanmak gibi) halinde silinebilme ömrü kısalan entegreler bir süre sonra kullanılamaz (silinemez) hale gelmektedir. 

EEPROM – Electrically Erasable PROM

Buraya kadar anlatılan bütün hafıza türleri özel ortamlarda içine yazma işlemi yapılabilirken Eeprom larda bu durum daha değişik ve gelişmiş bir yapıdadır. Genel olarak ROM ailesine ait olmakla birlikte mikroişlemci tarafından içine yazma yapılabilmesi özelliği ile diğer ROM lardan ayrılır.

Eprom’ larda görülen UV ışık altında silinebilme özelliği, bu tür hafızalarda elektriksel olarak gerçekleştirilebilmektedir. Yani Mikroişlemci elektronik devre kartı üzerinde bulunan bir Eeprom’a bilgi yazabilmektedir. Bu bilgi, ROM türü hafızaların elektrik kesintilerinden etkilenmeme özelliği sayesinde unutulmamakta, dolayısıyla cihazın çalışması esnasında kullanılan, istendiğinde değiştirilebilen ve fakat silinmemesi istenen bilgilerin, çeşitli parametrelerin saklanması için ideal bir çözüm teşkil etmektedir.

RAM Türü Hafıza Çeşitleri ve Fonksiyonları

Mikroişlemci tarafından hem okunup hem de yazılabilen hafıza türlerinin RAM olarak isimlendirildiği daha önce ifade edilmişti. Sistem programlarında yer alan her türlü değişkenin üzerinde yer aldığı, geçici işlemlerin gerçekleştirildiği türdeki bu hafızalar gerçekleştirildikleri teknik açısından ikiye ayrılırlar. Statik ve Dinamik RAM olarak adlandırılan bu hafıza birimleri hakkında aşağıda özet bilgi verilmiştir. 

 
RAM (Random Access Memory –Rastgele Erişimli Hafıza - Oku-Yaz Hafıza)

Mikroişlemcinin çalışması esnasında her türlü değişkenin üzerinde yer alacağı ve geçici işlemlerin yapılacağı hafıza birimi ise özel bir sıra takip etmeden her hangi bir adrese erişilebilindiği için Rastgele Erişimli Hafıza – RAM olarak isimlendirilir. Ayrıca yığın (stack) olarak adlandırılan ve mikroişlemci programlarının çalıştırılması esnasında çeşitli alt-programlar kullanıldıkça geri dönüş adreslerinin, içeriklerinin değişmesinin istenmediği register ların saklandığı hafıza bölgesi de yine RAM hafıza birimlerinde yer alır. RAM tipi entegreler hem yazmada hem okumada kullanıldıklarından CPU merkezi işlem ünitesinin, bu entegreleri kontrol ederken okuma R ve W yazma sinyalleri göndermesi gerekir. Ayrıca entegrenin istendiği zaman aktif duruma geçmesinin sağlayacak CS (Chip Select) pini bulunmaktadır ve active low (aktif düşük, 0 Volt) ile çalışır. Statik RAM Her bir biti bir flip-flop devresi olan bu tür hafızalar, yeni bir tetikleme işareti gelinceye kadar içindeki bilgiyi (0 veya 1’i) saklayabilme özelliği nedeniyle çok düşük güç tüketimi ile çalışmaktadır. Dışardan devreye bağlanan bir pil yardımıyla içindeki bilgileri çok uzun süreler boyunca saklayabilme imkanı vardır. Dinamik RAM lara göre daha yüksek maliyetli olmaları nedeniyle çok yüksek kapasitelerde üretilmezler.


CS: Chip select , active low .(Entegre seçici , 0 ile aktiflenir) 

WE: Write Enable , active low.(Datayazımı aktif , 0 ile aktiflenir) 

OE: Output Enable , active low.(Data okuma aktif, 0 ile aktiflenir) 

SRAM girişlerine adres , veri ve kontrol sinyalleri uygulanır. 

Ayrıca güç ve toprak bağlantılarına da ihtiyaç vardır. Tabloda verilen hafızaların çalışma gerilimi +5V’tur. Hafıza kontrol girişleri, yazma veya okuma işlemlerini kontrol ederler. Genel olarak iki yöntemi vardır :
Birincisi , üç kontrol hattına sahiptir; CS, WE ve OE. İkincisi ise sadece iki kontrol hattına sahiptir; CS ve WE her iki yöntemde CS sinyaline ihtiyaç vardır. Bu sinyal istenilen modülün seçilmesini sağlar ve aktif düşük ile çalışır.
Birinci hafıza kontrol yönetiminde, yazma işlemi için, hafızaya bir adres uygulanır ve ardından CS = 0, OE =1 , WE =0 yapılır. Okuma işlemi içinse CS =0 , WE =1 ve OE =0 yapılır. WE ve OE girişleri hiçbir zaman aynı anda aktif olmamalıdır.
İkinci hafıza kontrol yönetiminde ise OE sinyali yoktur. WE girişinin değeri yazmayı veya okumayı belirler . Adres bilgisi uygulandıktan sonra WE =0 ise yazma , 1 ise okuma işlemi yapılır. Bu yöntem sayesinde bir uçtan tasarruf edilmiş olunur.
Yazma okuma işlemleri için uygulanacak sinyallerde belli bir zamanlama süresine uymak gerekir.

Zamanlama (Timing)

Bir RAM'den okuma (read) işleminde aşağıdaki adımlar uygulanır:

1. Hafıza adres girişine bir adres uygulanır.
2. CS girişine lojik 0 uygulanarak Ram seçilir.
3. Seçilen hafıza hücresinin içeriği, erişim zamanına (access time) eşit bir süre sonra, veri çıkışları görülür.
Adres hatları diğer bir hafıza hücresine yazmak veya okumak için değiştirilebilir.
Bir mikroişlemcili sistemde, hafıza adresi mikroişlemci tarafından sağlanır. Adres ve kontrol girişleri alarak bu girişlerden uygun hafızaya çıkış vermeyi sağlayan kod çözücü ise bu adres ve kontrol girişlerinden CS sinyali üretir.

Adres üretiminden sonra, verinin çıkışta okumaya hazır olması için geçen zamana erişim zamanı (TA) denir. En az bu kadar bir zaman sonra , mikroişlemci, hafızadan veri okuma sinyalini aktifleyerek hazır olan bilgiyi okur.

Bir RAM’eyazma(write) işleminde aşağıdaki adımlar uygulanır:
1. Hafıza adres girişlerinde bir adres uygulanır.
2. CS girişini lojik 0 uygulanarak RAM seçilir.
3. Hafıza yazacak veri, hafıza veri girişine uygulanır.
4. W/R hattı lojik 0 yapılır
Adres hatları diğer bir hafıza hücresine yazmak veya okuma için değiştirilebilir.
Mikroişlemciler tarafından CS sinyali üretildikten sonra hafızanın WE girişi mikroişlemcinin WR sinyali ile lojik 0 yapılır. Bu işlemden sonra yazılacak veri seçili hücreye yazılır. Bir verinin hafızaya yazıla bilmesi için gereken minimum süreye (TW), WR darbesi üreten mikroişlemci uymak zorundadır. Yazma Darbesi 1’den 0’a geçiş ile başlar.

Dinamik RAM

Her bir biti, bir kuvvetlendirici (genellikle bir tranzistör) ve onun baz girişindeki bir kondansatörden oluşan bir yapıya sahiptir. Bir biti lojik 1 konumuna getirmek için kondansatörün doldurulması gerekir. Ancak kaçak akımlar nedeniyle kondansatör boşalır.


Bellek elemanlarının genel olarak tanımlamaları şimdilik bu kadar. Bundan sonraki konumuz belleklerin adreslenmeleri.