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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Chip de memória dinâmica DRAM - como uma câmera de vídeo. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia digital Inserir imagens em um computador e seu posterior processamento digital, de uma forma ou de outra, requer um investimento bastante grande. O dispositivo mais caro aqui é provavelmente uma câmera de vídeo, cujo sinal é lido, armazenado e digitalizado por um computador. O mais caro, mas em termos de qualidade e melhor método de entrada de imagem, é digitalizar o sinal de saída de uma câmera de vídeo doméstica. Mas, ao mesmo tempo, os custos dos circuitos aqui ainda são significativos. Uma vez que isto requer um conversor digital-analógico de alta velocidade, um dispositivo de armazenamento de alta velocidade e uma interface apropriada para um computador pessoal. Para experimentos amadores, esse é um caminho bastante caro. Uma câmera transmissora de televisão com interface de computador é muito cara e pode prejudicar significativamente o orçamento de um radioamador. A saída para esta situação foi o uso não convencional de um cristal de memória dinâmica. Acontece que a DRAM pode ser usada como um sensor óptico sensível. Vários anos atrás, a Micron Technology (fabricante americana de circuitos integrados de chip único) lançou uma versão especial do 64k-DRAMS com janela de controle, que foi vendida como sensor de imagem. Como a geometria do cristal do microcircuito é conhecida, com algum esforço foi possível fazer uma câmera de vídeo. Infelizmente, esses chips não foram mais vendidos, o que foi um obstáculo para a criação de uma câmera de computador. Porém, desmontei uma placa de computador com chips de memória DRAMS que possuía um gabinete de cerâmica com tampa de metal. Removi a tampa de metal rapidamente, revelando o vidro protetor por baixo. o que fazer a seguir? Para continuar a experiência com sucesso, optou-se por utilizar a porta paralela de um computador pessoal, perfeitamente adequada para entrada/saída de informação. Para controle, dois pequenos programas foram escritos em Assembly. E - oh, milagre! - após vários testes, alguma imagem pôde ser visualizada na tela do computador. Como funciona? 64k-DRAM contém 65536 células de memória, que são organizadas em forma de matriz com acesso normal. Neste caso, foi utilizado o chip D4164 da NEC, que consiste em quatro matrizes de células de memória 64x256. Cada célula de memória consiste em um capacitor e transistores complementares. Um capacitor acumula informações na forma de carga elétrica. Transistores complementares acessam (comutam) esse capacitor.
Se uma linha da matriz for selecionada, então, alternando todos os 256 transistores complementares desta linha, conecte o capacitor (célula) desejado a um dos 256 amplificadores. Se a tensão no amplificador estiver acima de um certo nível, então assume-se que este é um 1 lógico, caso contrário a saída do amplificador será um 0 lógico. Contando um dos 256 amplificadores em uma determinada linha (ou seja, escolhendo um endereço de coluna), selecionamos o sinal de saída DRAM desejado. Como os capacitores do chip de memória vazam (descarregam lenta mas inevitavelmente), eles devem ser constantemente regenerados (recarregados) para não perder suas informações. Se eles pararem de se regenerar, depois de algum tempo a carga na célula do capacitor desaparecerá e o bit correspondente será invertido. Ao iluminar (expor) o capacitor, esse efeito será potencializado, o capacitor descarregará muito mais rápido e o resultado será uma reversão do bit de informação. O tempo de descarga do capacitor será a principal medida da intensidade da luz nesta célula de memória. Para usar este efeito, são necessários os seguintes passos: - Primeiro, todos os capacitores de memória estão carregados. “Depois as células de memória são irradiadas por algum tempo. - Todas as células de memória são interrogadas e analisadas. Cada célula (fotocélula) é examinada quanto à inversão do estado original, que será considerada como flare. DRAM é um chip de memória, portanto a alocação de endereço lógico deve corresponder à localização física no chip. Para descobrir esta distribuição é necessário realizar vários testes. Em um chip DRAM, cujos endereços de células consistem em dois componentes - endereços de linha e endereços de coluna, pode-se supor que na estrutura física do cristal eles estão localizados exatamente da mesma maneira. Como se viu, isso é de fato verdade, ou seja, endereços de linhas lógicas correspondem a linhas físicas e endereços de colunas lógicas correspondem a colunas físicas. Os endereços lógicos dentro de uma linha não correspondem, é claro, a uma localização física em uma célula de memória de um circuito integrado em um único cristal. A imagem processada mostra esta distribuição errônea de linhas e colunas reorganizadas. A reorganização dos bits de endereço permite eliminar esse defeito, mas, no entanto, uma abordagem experimental ainda é necessária aqui. A geometria dos circuitos integrados em um único cristal de diferentes fabricantes pode ser diferente. Portanto, o programa de controle funciona corretamente apenas com chips NEC tipo 4164. Para outros chips de memória, podem ocorrer erros, mas conhecendo o princípio de controle, você pode corrigir o resultado. Agora ficará claro que o nosso circuito integrado num único cristal consiste em quatro matrizes que ficam lado a lado. As duas matrizes externas são separadas das duas intermediárias por lacunas relativamente grandes; isso introduz alguns erros na imagem. Nessas lacunas provavelmente existe uma lógica de decodificação. As duas matrizes do meio são separadas por um intervalo muito menor, de modo que podem ser consideradas como uma matriz de 128x256 células. Nesta base, apenas duas matrizes intermediárias são usadas como sensores. Uma olhada no microcircuito através de uma lupa determina claramente a estrutura da matriz do cristal.
Agora você precisa focar a lente com precisão. Após uma inspeção mais detalhada, é perceptível que várias linhas e colunas ainda estão reorganizadas. Duas linhas são exibidas corretamente, as próximas duas são trocadas entre si. A operação de leitura do conteúdo das células corrige esse defeito. Em seguida, são corrigidos os endereços das colunas, das quais quatro são lidas corretamente e as outras quatro estão na ordem errada. Estabelecer a distribuição correta nem sempre é fácil, pois requer uma óptica integrada sólida e um foco muito preciso da imagem. O padrão só é claramente visível quando a distribuição está correta! É melhor começar o teste com uma superfície branca na qual objetos escuros são colocados e movidos. A observação cuidadosa, o foco preciso da lente e um pouco de paciência ajudarão a reconhecer maus funcionamentos grosseiros (incompatibilidades) e então revelar as características do circuito integrado em um único cristal. Imprecisões grosseiras são identificadas por linhas pretas, localizadas no chip e controladas. Para usar a porta paralela de um computador pessoal para conectar um chip DRAM, algumas modificações são necessárias. A porta da impressora contém capacitores paralelos e resistores em série equivalentes que suavizam as bordas íngremes do sinal de clock; não precisamos desses elementos neste caso e, portanto, eles devem ser removidos.
Em uma placa altamente integrada típica, os módulos individuais são conectados diretamente pelas saídas CMOS às portas da impressora em um barramento de baixa carga, portanto, deve haver um driver de buffer bidirecional. Agora, usando um cabo, conecte a porta paralela ao soquete no qual o chip DRAM será instalado. Os soquetes deste painel devem ter bons contatos (de preferência banhados a ouro) e suportar substituições repetidas, pois você terá que selecionar o microcircuito necessário. Também é necessário trazer uma tomada separada para o microcircuito, pois a tensão na saída da porta LPT não pode ser usada aqui. A impressora, no entanto, agora não pode ser conectada lá! O capacitor de desacoplamento entre o pino 8 e o pino 16 da DRAM também é muito importante, pois quando ligado, uma corrente elétrica bastante alta flui para lá (cerca de 100 mA). Este capacitor é soldado diretamente no corpo do porta-chip (soquete) do IC (preste atenção na polaridade! O pino 8 é +5 volts, o pino 16 é terra). Sem este capacitor, nada funciona! Projeto mecânico de óptica integrada A superfície útil do chip do chip NEC 4164 é de aproximadamente 1,2 x 6 mm quadrados, se recusarmos as duas matrizes extremas. A óptica integral deve ser implementada e selecionada com base neste fato. Uma lente com distância focal de 8 mm corresponde a aproximadamente uma lente padrão de 50 mm em uma câmera de pequeno formato. Lentes com distâncias focais de 5 a 35 mm também são levadas em consideração. Esta ótica se paga em uso futuro. Usamos a lente mencionada de uma câmera Super-8 (distância focal f = 25mm). É melhor usar lentes de foco curto, por exemplo, de câmeras antigas de filme fino, de uma câmera de televisão doméstica com defeito, etc. Em lojas de fotografia em consignação e estúdios fotográficos, espero que eles ofereçam a você uma lente adequada. Mas mesmo sem uma lente de alta qualidade, você pode obter bons resultados usando uma lente simples de foco curto. A qualidade da imagem da lente não deve ser inferior à imagem obtida da lente. Afinal, você está projetando uma imagem em um cristal de microcircuito, que não suporta alta resolução como no filme fotográfico. Não podemos fornecer aqui uma solução padrão para o posicionamento e design do sistema óptico devido à grande variedade de lentes e sua instalação na frente do chip de cristal. É necessário apenas observar a centralização precisa da óptica integrada para que a imagem seja focada com precisão no cristal. Sensibilidade à luz O circuito integrado em um único cristal não oferece alta sensibilidade à luz, portanto, os tempos de exposição do cristal são maiores do que os de uma câmera de vídeo CCD real. A velocidade de movimento de objetos fixos depende da iluminação e varia de centenas a 20 segundos. Tempos mais longos não são possíveis, caso contrário a imagem ficará muito barulhenta (borrada). Durante este período de exposição bastante longo, é aconselhável ter um tripé para o seu projeto. Além disso, suas mãos devem estar livres para corrigir o tempo de exposição trabalhando no teclado do computador e gravando imagens bem-sucedidas. Nota-se que o cristal do chip DRAM é mais sensível ao espectro vermelho da faixa óptica do que ao azul, talvez tenha boa sensibilidade espectral no espectro de radiação infravermelha (invisível). software A inicialização e leitura do chip de memória são realizadas por programas assembler inseridos em programas Turbo-Pascal. Inicialização O procedimento INITRAM inicializa o circuito integrado. Como a presença de carga nas células de memória do microcircuito NEC 4164 corresponde a um “1” lógico, “1” é pré-escrito em todas as células. Para controlar um chip DRAM, são necessários vários sinais de clock complexos.
Primeiro, o contador de endereços de linha é definido na entrada de endereço do microcircuito. Neste caso, a entrada RAS será definida como “0” - é permitido definir o endereço da linha. A seguir, é fornecido o endereço da coluna, a entrada Din é definida com o valor desejado (no nosso caso, todas as células são definidas como “1”) e a entrada CAS é definida como “0”. A DRAM agora aceitou o endereço da coluna e os bits de dados. Este processo é repetido para todos os 32768 locais de memória; Agora o chip DRAM está inicializado, todos os capacitores estão carregados (escrito “1”). Então passa um certo período de tempo, durante o qual o cristal de memória do chip é irradiado. Quando esse tempo expirar, as informações são lidas das células de memória, enquanto as células destacadas mudarão de estado (os capacitores iluminados descarregarão mais rapidamente). Lendo informações A leitura das informações do cristal de memória é realizada pelo procedimento LESERAM. Isso acontecerá da mesma forma que no procedimento INITRAM. O conteúdo de cada célula de memória será lembrado e depois convertido em imagem. Neste caso, os erros locais são corrigidos. Assim, cada 8 bits são combinados em bytes. Para criar uma imagem são necessários 4096 bytes, já que apenas metade do chip de memória é utilizado. Esses dados serão então passados para o programa principal. O programa de correção equaliza a sensibilidade diferente de pixels individuais. (As células de memória nas bordas do sensor são mais sensíveis que a área central.) Como existe uma pequena lacuna entre as duas matrizes intermediárias (para NEC 4164!), existe também um segundo programa de correção. Ele separa as duas metades da imagem em 5 pixels e preenche racionalmente o intervalo resultante. Em alguns casos, é mais racional abandonar esta correção ou melhorar o algoritmo de processamento. Três programas INITRAM (inicialização), LESERAM (leitura) e correção estão contidos no procedimento “Exposição” e são necessários para criar um intervalo de tempo para irradiação da matriz e registro das informações da imagem. O procedimento "ANZEIGE" é usado para exibir rapidamente uma imagem de uma placa VGA. Nesse caso, as informações da imagem são inseridas diretamente na memória de vídeo, o que acelera significativamente o resultado. Infelizmente, as distâncias verticais das células de memória individuais são duplicadas, o que é explicado pelo procedimento de compensação no programa de exibição. Se você usar outros adaptadores de vídeo, essa rotina poderá precisar ser ajustada. Os procedimentos "SPEICHERN" (Escrita) e "LESEN" (Leitura) gravam e, consequentemente, salvam a imagem no formato BMP e despejam-na no disco rígido. Outros programas Os programas discutidos acima são usados por outros programas aplicativos. O programa KUCKUCK é o mais importante de todos; Grava imagens únicas, bem como séries de imagens em 2, 4 ou 10 níveis de brilho. A imagem atual está sempre no monitor e pode ser gravada usando a barra de espaço. A princípio, a câmera, claro, só pode aceitar imagens com 2 níveis (preto e branco), porém é possível irradiar repetidamente imagens com meios-tons (tons de cinza).
As exposições únicas de imagens de meio-tom são gravadas sequencialmente em arquivos (.3 e, respectivamente, ".9") e depois convertidas para processamento posterior pelos programas "Grau3", "Grau4" e "Dither": "Grau3" produz 3 exposições únicas de um bitmap com 4 níveis de brilho. (4 bits por pixel de informação, enquanto apenas as cores 0, 7, 8 e 15 são usadas e, consequentemente, os níveis de preto, cinza claro, cinza escuro e branco. Para processamento rápido de imagens em meios-tons na tela, outra conversão é necessária: o " O programa Grau4" converte os mesmos dados de entrada da mesma forma que "Grau3", mas em um formato diferente. Nove exposições únicas para o arquivo ".9" são convertidas pelo programa "Dither" em uma imagem em preto e branco (respectivamente 3 vezes a largura e a altura do original). Como resultado das exposições, cada pixel em nove imagens para cada ponto criará uma matriz de 3x3 pixels de distribuições aleatórias. O programa "FilmAb" (Video Clip) é utilizado para visualizar as sequências de imagens criadas, que por sua vez foram criadas pelo programa "KUCKUCK". Assim, pequenos “videoclipes” podem ser criados com 2 ou 4 níveis de brilho e qualquer ordem de visualização pode ser selecionada. Como o formato de 128x256 pixels é bastante grande, especialmente o comprimento das linhas é duas vezes maior que o das colunas, você pode usar o “meio formato” com resolução de 128x128 pixels. Em primeiro lugar, ao executar o programa "FilmAb" (Video Clip), é necessário carregar racionalmente esta opção para economizar espaço em disco. As imagens individuais resultantes podem ser processadas por programas do Windows como o Paintbrush. Lista de procedimentos e programas individuais: - VIDEO.INC contém procedimentos de alto nível: - INITRAM, INITRAM2: Inicialização do chip D4164 em formato completo e meio, respectivamente. - LESERAM, LESERAM2: lê informações da imagem. - ANZEIGE: entrada rápida para placa VGA. - LESEN: arquivo bitmap de 2 cores, 128x256 e 128x128 pixels. - SPEICHERN: dados bitmap, formato como lido - KUCKUCK: Gravação em dois formatos - 2, 4 ou 10 níveis de brilho. - GRAU3: Gera um arquivo BMP de 4 cores a partir de 3 exposições únicas (".3" -> ".BMP"). - GRAU4: Os dados são gerados com informações do 4º bit da placa VGA (".3" -> ".4"). - DITHER: A partir de 9 exposições únicas, são criadas 2 imagens coloridas (".9" -> ".BMP"). - FILMAB: bitmaps de 2 ou 4 cores são mesclados em um filme (com o nome: "nome. BMP"). Literatura: - Ram óptico Datenblatt IS 32, Tecnologia Micron Um conjunto de documentação original em um arquivo kuckuck.zip (283 kB) Nota do tradutor Esse trabalho, a julgar pela data em que os arquivos foram criados, foi escrito em 1992, quando até 486 computadores eram uma coisa muito legal. Talvez seja necessário ajustar o software para PCs modernos. Pode acontecer que a porta paralela do computador não precise ser modificada (não quero perder minha impressora :-). Quanto aos microcircuitos utilizados: - aparentemente não será fácil encontrar NEC DRAM (ainda não encontrei um no meu lixo), e o MS de outra empresa pode não conter uma tampa de metal. Como então chegar ao cristal? Em geral, minha opinião é que este artigo é apenas um ponto de partida para experimentar esse problema interessante. В arquivo fonte há mais alguns arquivos de texto. Vou tentar traduzi-los também. Autor: Martin Kurz, traduzido por Nikolai Bolshakov, rf.atnn.ru
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