Дата последнего обновления файла 23.10.2009

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в , и , таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства называются ROM (read only memory — память доступная только для чтения). Схема такого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) приведена на рисунке 1.

В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке 2.

Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рисунке 3.

В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы — металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ . Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше — это использование кроме мультиплексора еще и . Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в двухмерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы , необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 5. Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ). Чтение микросхемы производится сигналом RD.

Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах — программаторах. В этих ПЗУ постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве ПЗУ изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти ПЗУ логических единиц. В процессе программирования ПЗУ на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход ПЗУ подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход ПЗУ подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку запоминающей матрицы будет протекать ток, который испарит ее и при последующем считывании информации из этой ячейки ПЗУ будет считываться логический ноль.

Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) или PROM и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 6. В качестве примера ППЗУ можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.

Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.

ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:

Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния — диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ, заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании ПЗУ, на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе подобной ячейки может храниться десятки лет.

Описанного постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственное отличие — вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка. Такой вид ПЗУ называется репрограммируемыми постоянными запоминающими устройствами (РПЗУ) или EPROM. В РПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы ПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла.

При облучении микросхемы РПЗУ, изолирующие свойства оксида кремния теряются, накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника, и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы РПЗУ колеблется в пределах 10 ... 30 минут.

Все постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) можно разделить на следующие группы:

● программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM);

● с однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние матрицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначают как ППЗУ или PROM);

● перепрограммируемые (репрограммируемые), с возможностью многократного электрического перепрограммирования, с электрическим или ультрафиолетовым стиранием информации (обозначают как РПЗУ или RPROM).

Для обеспечения возможности объединения по выходу при наращивании памяти все ПЗУ имеют выходы с тремя состояниями или открытые коллекторные выходы.

{xtypo_quote}В ППЗУ накопитель построен на запоминающих ячейках с плавкими перемычками, изготовленными из нихрома или других тугоплавких материалов. Процесс записи состоит в избирательном пережигании плавких перемычек. {/xtypo_quote}
В РПЗУ запоминающие ячейки строятся на основе МОП-технологий. Используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя различными диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.

В первом случае диэлектрик под затвором МОП-транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния (SiN 4 — SiO 2). Было обнаружено, что в сложной структуре SiN 4 — SiO 2 при изменении электрического напряжения возникает гистерезис заряда на границе раздела двух слоев, что и позволяет создавать запоминающие ячейки.

Во втором случае основой запоминающей ячейки является лавинно-инжекционный МОП-транзистор с плавающим затвором (ЛИПЗ МОП). Упрощенная структура такого транзистора приведена на рис. 3.77.
В лавинно-инжекционном транзисторе с плавающим затвором при достаточно большом напряжении на стоке происходит обратимый лавинный пробой диэлектрика, и в область плавающего затвора инжектируются носители заряда. Поскольку плавающий затвор окружен диэлектриком, то ток утечки мал и хранение информации обеспечивается в течение длительного промежутка времени (десятки лет). При подаче напряжения на основной затвор происходит рассасывание заряда за счет туннельного эффекта, т.е. стирание информации.

Приведем некоторые характеристики ПЗУ (табл. 3.1).

Промышленность выпускает большое количество микросхем ПЗУ. Приведем в качестве примера две микросхемы ПЗУ (рис. 3.78).

На схемах использованы следующие обозначения: A i — адресные входы; D i — информационные выходы; CS — выбор микросхемы; СЕ — разрешение выхода.

Микросхема К573РФ5 — это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее структуру 2Кх8. По входу и выходу эта микросхема совместима с ТТЛ-структурами. Микросхема К556РТ5 — это однократно программируемая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-структур, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 512бит х8.

| Постоянное запоминающее устройство (ROM)

Микросхема EPROM Intel 1702 с ультрафиолетовым стиранием
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Исторические типы ПЗУ

С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых ламп . В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой ёмкости широко использовались штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых поколений - несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать их с похожими типами ОЗУ). Именно от этих типов ПЗУ и берёт своё начало термин «прошивка» - логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ информацией напоминала процесс шитья.

Как работает ПЗУ. Современные типы ПЗУ

Схема постоянного запоминающего устройства, построенная на мультиплексоре
В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке

Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах
Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на следующем рисунке

Схема многоразрядного ПЗУ
В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ . Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше - это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в многомерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Схема масочного постоянного запоминающего устройства
Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке. Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ОЗУ). Чтение микросхемы производится сигналом RD.

Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах - программаторах. В этих микросхемах постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход микросхемы подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку будет протекать ток, который испарит эту перемычку и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль.

Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке. В качестве примера можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.

Обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах
Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.

ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:

Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием
Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния - диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании микросхемы на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения на плавающем затворе индуцированный заряд остаётся и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе может храниться десятки лет.

Структурная схема постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственно вместо перемычки используется описанная выше ячейка. В репрограммируемых ПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы встраивается окошко из кварцевого стекла.

При облучении микросхемы, изолирующие свойства оксида кремния теряются и накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы колеблется в пределах 10 - 30 минут.

Количество циклов записи - стирания микросхем находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения. В качестве примера таких микросхем можно назвать микросхемы 573 серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В этих микросхемах чаще всего хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. Репрограммируемые ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке

Обозначение репрограммируемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах
Так так корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи - стирания привели к поиску способов стирания информации из ППЗУ электрическим способом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей ячейки в них используются такие же ячейки как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи - стирания для этих микросхем достигает 1000000 раз. Время стирания ячейки памяти в таких микросхемах уменьшается до 10 мс. Схема управления для таких микросхем получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:

1. -> ЕСППЗУ
2. -> FLASH – ПЗУ

Электрически стираемые ППЗУ дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи - стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ - хранение данных, которые не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3, 558РР и зарубежные микросхемы серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ обозначаются на схемах как показано на рисунке

Обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах
В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних ножек микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов - SPI порт и I2C порт (микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX.

FLASH - ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.

При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке

Обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах
На рисунке стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.

Любая электроника представляет собой сложные устройства, принцип функционирования которых понятен далеко не каждому обывателю. Что такое ПЗУ и для чего необходимо данное устройство? Большинство пользователей сегодня не могут ответить на этот вопрос. Давайте попробуем исправить эту ситуацию.

Что собой представляет ПЗУ?

Чем являются ПЗУ и где они могут использоваться. Постоянные запоминающие устройства это так называемая энергонезависимая память. Чисто технически данные устройства реализованы в форме микросхем. Одновременно мы узнали, как расшифровывается аббревиатура ПЗУ. Такие микросхемы предназначены для хранения введенной пользователем информации, а также установленных программ. В ПЗУ можно найти все от документов до картинок. Информация на данной микросхеме хранится на протяжении нескольких месяцев или даже лет.

В зависимости от используемого устройства объемы памяти могут меняться от нескольких килобайт на самых простых устройствах, которые имеют всего один кристалл кремния, до терабайтов. Чем больше объем постоянного запоминающегося устройства, тем больше объектов может на нем храниться. Объем микросхемы прямо пропорционален количеству данных. Если попробовать более емко ответить на вопрос, что представляет собой ПЗУ, то можно сказать следующее: это хранилище информации, которое не зависит от постоянного напряжения.

Использование жестких дисков в качестве ПЗУ

Итак, мы уже дали ответ на вопрос, что представляет собой ПЗУ. Теперь поговорим о том, какими могут быть ПЗУ. Основное запоминающее устройство в любом компьютере — это жесткий диск. Сегодня они есть в каждом компьютере. Данный элемент используется благодаря широким возможностям накопления данных. При этом также существует ряд ПЗУ, которые используют в своем устройстве мультиплексоры. Это особые микроконтроллеры, начальные загрузчики и другие электронные механизмы. При более детальном рассмотрении, нужно не только понимать значение аббревиатуры ПЗУ. Чтобы вникнуть в тему, нужна расшифровка и других терминов.

Дополнение и расширение возможностей ПЗУ за счет использования флэш-технологий

Если пользователю не хватает стандартного объема памяти, то можно попробовать воспользоваться расширением возможностей в сфере хранения информации, предоставленных ПЗУ. Это осуществляется за счет использования современных технологий, которые реализованы в USB-накопителях и картах памяти. В основе данных технологий лежит принцип многоразового использования. Если говорить проще, то информацию на таких носителях можно затирать и снова записывать. Делать подобную операцию можно десятки и сотни тысяч раз.

Из чего состоит ПЗУ

В состав ПЗУ входит две части, которые обозначают как ПЗУ-А и ПЗУ-Э. ПЗУ-А используется для хранения программ, а ПЗУ-Э для выдачи программ. ПЗУ типа А представляет собой диодно-трансформаторную матрицу, которая прошивается при помощи адресных проводов. Данный раздел ПЗУ выполняет основную функцию. Начинка будет зависеть от материала, который использовался при изготовлении ПЗУ. Для этого могут использоваться магнитные ленты, магнитные диски, перфокарты, барабаны, ферритовые наконечники, диэлектрики с их свойством накопления электростатических зарядов.

ПЗУ: схематические строение

Данный объект электроники обычно изображается в виде устройства, напоминающее соединение некоторого количества одноразрядных ячеек. Несмотря на потенциальную сложность микросхема ПЗУ по размеру очень мала. При запоминании определенного бита информации производится запайка к корпусу (запись нуля) или к источнику питания (запись единицы). Чтобы увеличить разрядность ячеек памяти, в постоянных запоминающих устройствах схемы могут соединяться параллельно. Именно так и поступают производители с целью получения современного продукта. Ведь при использовании ПЗУ с высокими техническими характеристиками устройство будет конкурентноспособно на рынке.

Объем памяти, используемый в различных единицах техники

Объем памяти может зависеть от типа и предназначения ПЗУ. В простой бытовой технике вроде холодильников или стиральных машин будет вполне достаточно установленных микроконтроллеров. Что-то более сложное устанавливается в редких случаях. Нет смысла использовать здесь больший объем ПЗУ. Количество электроники довольно невелико. К тому же от техники не требуется выполнять сложные вычисления. Для современных телевизоров может потребоваться уже что-то более сложное. Вершиной сложности схем ПЗУ является вычислительная техника вроде серверов и персональных компьютеров. В такой технике ПЗУ вмещают в себя от нескольких гигабайт до сотен терабайт информации.

Масочное ПЗУ

Если запись осуществляется, когда запись ведется при помощи процесса металлизации и используется маска, то такое ПЗУ будет называться масочным. В них адреса ячеек памяти подаются на десять выводов. Конкретная микросхема выбирается при помощи специального сигнала CS. ПЗУ данного вида программируются на заводах. Поэтому изготавливать их в средних и мелких объемах неудобно и невыгодно. Однако при крупносерийном производстве такие устройства будут наиболее дешевыми из ПЗУ.

Это и обеспечило популярность данного типа устройств. С точки зрения схемотехнического решения такие ПЗУ отличаются от общей массы тем, что соединения в запоминающей матрице заменены на плавкие перемычки, которые изготавливаются из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки. Компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Однако во время подготовительного программирования подается повышенной напряжение.

При помощи него оставляют логические единицы. Перемычки при подачи низких напряжений испаряются. Компьютер считает, что там записан логический нуль. Такой же принцип используется и в программируемых постоянных запоминающих устройствах. Программируемые ПЗУ или ППЗУ оказались довольно удобны с точки зрения технологического изготовления. К ним можно прибегать как в средне- так и в мелкосерийном производстве. Однако у этих устройств имеются и свои ограничения. Записать программу можно только один раз, после этого перемычки навсегда испаряются.

Из-за невозможности повторно использовать ПЗУ. При ошибочной записи его приходится выбрасывать. В результате стоимость всей произведенной аппаратуры увеличивается. Из-за несовершенства производственного цикла. Данная проблема довольно долго занимала умы разработчиков. В качестве выхода из данной ситуации было решено разработать ПЗУ, которое можно многократно программировать.

ПЗУ с электрическим или ультрафиолетовым стиранием

Такие устройства создаются на базе запоминающей матрицы, в которой ячейки памяти имеют особую структуру. Каждая ячейка здесь является МОП-транзистором, затвор в котором выполнен из поликристаллического кремния. Чем-то напоминает предыдущий вариант. Особенность данных ПЗУ состоит в том, что кремний в данном случае дополнительно окружается диэлектриком, который обладает изолирующими свойствами. В качестве диэлектрика используется диоксид кремния.

Здесь принцип действия базируется на содержании индукционного заряда. Он может храниться десятки лет. Здесь есть некоторые особенности со стиранием. Так, например, для ультрафиолетового ПЗУ устройства требуется попадание УФ-лучей извне, например, от ультрафиолетовой лампы. Конечно, с точки зрения удобства эксплуатации конструкция ПЗУ с электрическим стиранием будет оптимальным вариантом. В данном случае для активации нужно просто подать напряжение. Такой принцип электрического стирания успешно реализован в таких устройствах как флэш-накопители. Однако такая схема ПЗУ структурно ничем не отличается от обычного масочного ПЗУ за исключение строения ячейки.

Такие устройства иногда еще называют репрограммируемыми. Однако при всех преимуществах устройств такого типа, есть определенные границы скорости стирания информации. Обычно, для выполнения данной операции необходимо от 10 до 30 минут. Несмотря на возможность перезаписи, у репрограммируемых устройств есть ограничения по использованию. Электроника с УФ стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. После этого разрушающее влияние ультрафиолетового излучения станет таким ощутимым, что устройство перестанет функционировать.

Такие элементы могут использоваться для хранения программ BIOS в видео и звуковых картах для дополнительных портов. Относительно возможности перезаписи оптимальным будет принцип электрического стирания. Число перезаписей в таких устройствах составляет от 100 до 500 тысяч. Конечно, можно найти устройства, которые могут работать и больше, однако обычным пользователям такие сверхъестественные возможности совершенно ни к чему.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

ПЗУ – память, информация в которой, будучи однажды записанной, изменению не подлежит. Например, программа загрузки в ОЗУ микропроцессорной системы информации из внешней памяти. Все типы ПЗУ используют один и тот же принцип построения схемы. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединения между шинами адреса и данных.

Условное графическое обозначение ПЗУ представлено на рис.26.10.

Рис.26.10. Условное графическое обозначение ПЗУ

Рис. 26.11. Схема ПЗУ

На рис. 26.11 приведена схема простейшего ПЗУ. Для реализации ПЗУ достаточно использовать дешифратор, диоды, набор резисторов и шинные формирователи. Рассматриваемое ПЗУ содержит разрядных слова, т.е. его общий объем составляет 32 бит. Количество столбцов определяет разрядность слова, а количество строк – количество 8 разрядных слов. Диоды устанавливаются в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического «0» (дешифратор подает 0 на выбранную строку). В настоящее время вместо диодов ставят МОП-транзисторы.

В табл. 26.1 приведено состояние ПЗУ, схема которого приведена на рис. 26.11.

Таблица 26.1

Состояние простого ПЗУ

Как правило, ПЗУ имеют многоразрядную организацию со структурой 2DM . Технологии изготовления самые разнообразные – КМОП, n-МОП, ТТЛ(Ш) и диодные матрицы.

Все ПЗУ можно разделить на следующие группы: программируемые при изготовлении (масочные), с однократным программированием и перепрограммируемые.

В запоминающих устройствах, программируемых при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывается непосредственно в процессе их изготовления с помощью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса. Такие ПЗУ называемые масочными, построены на диодах, биполярных или МОП транзисторах.

Область использования масочных ПЗУ – хранение стандартной информации, например знакогенераторы (коды букв латинского и русского алфавита), таблицы типовых функций (синусы, квадратичные функции), стандартное программное обеспечение.

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM ) – ПЗУ с возможностью однократного электрического программирования. Этот вид памяти позволяет пользователю однократно запрограммировать микросхему памяти с помощью программаторов.

Микросхемы ППЗУ построены на запоминающих ячейках с плавкими перемычками. Процесс программирование заключается в избирательном пережигании плавких перемычек с помощью импульсов тока достаточной амплитуды и длительности. Плавкие перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов.

На рис. 26.12 приведена схема ППЗУ с плавкими перемычками. Оно изготавливается со всеми диодами и перемычками, т.е. в матрице все «0», а при программировании пережигаются те перемычки, в ячейках которых должны быть логические «1».

Рис. 26.12. Фрагмент схемы ППЗУ

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ и РПЗУ УФ) – ПЗУ с возможностью многократного электрического программирования. В ИС РПЗУ УФ (EPROM ) старая информация стирается с помощью ультрафиолетовых лучей, для чего в корпусе микросхемы имеется прозрачное окошко; в РПЗУ (EEPROM ) – с помощью электрических сигналов.

Запоминающие ячейки РПЗУ строятся на n -МОП или КМОП транзисторах. Для построения ЗЭ используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.

В первом варианте диэлектрик под затвором МОП транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния. Этот транзистор называется МНОП: металл – нитрид кремния – окисел – полупроводник. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата зарядов. Благодаря туннельному эффекту носители заряда могут проходить сквозь тонкую пленку окисла и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд, являющийся носителем информации, хранимой МНОП-транзистором, приводит к изменению порогового напряжения транзистора. При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочее напряжение на затворе транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует, легко открывается. Одно из состояний определено как логическая единица, второе – ноль.

Во втором варианте затвор МОП транзистора делают плавающим, т.е. не связанным с другими элементами схемы. Такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения. В результате заряд на плавающем затворе влияет на ток стока, что используется при считывании информации, как и в предыдущем варианте с МНОП транзистором. Такие транзисторы получили название ЛИЗМОП (МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда). Так как затвор транзистора окружен изолятором, ток утечки очень мал и информация может храниться достаточно долго (десятки лет).

В РПЗУ с электрическим стиранием над плавающим затвором транзистора размещают второй – управляющий затвор. Подача напряжения на него вызывает рассасывание заряда на плавающем затворе за счет туннельного эффекта. РПЗУ имеют весомые преимущества перед РПЗУ УФ, так как не требуют для перепрограммирования специальных источников ультрафиолетового света. ЗУ с электрическим стиранием практически вытеснили ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

Фрагмент схемы РПЗУ с использованием двухзатворных транзисторов типа ЛИЗМОП показан на рис. 26.13. Запись логического нуля осуществляется в режиме программирования с помощью заряда плавающего затвора. Стирание информации, т.е. разряд плавающего затвора, означает запись логической единицы. В этом случае при подаче сигнала по линии выборки опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение U ПИТ на линии считывания.

Современные РПЗУ имеют информационную емкость до 4 Мбит при тактовой частоте до 80 МГц.

26.5. Flash -память

Основные принципы работы и тип запоминающих элементов Flash -памяти аналогичны ППЗУ с электрической записью и стиранием информации, построенной на транзисторах с плавающим затвором. Как правило, благодаря своим особенностям, Flash -память выделяют в отдельный класс. В ней производится стирание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдельных слов. Это позволяет исключить схемы управления записью и стиранием отдельных байтов, что дает возможность значительно упростить схему ЗУ и достичь высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости.

Рис.26.13. Фрагмент схемы РПЗУ

Современные тенденции развития электронных приборов требуют постоянного увеличения объема используемой памяти. На сегодня инженеру доступны микросхемы как энергозависимой памяти типа DRAM , которую характеризуют предельно низкая цена за бит и большие уровни интеграции, так и энергонезависимой Flash -памяти, себестоимость которой постоянно снижается и стремится к уровню DRAM .

Потребность в энергонезависимой Flash -памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе Flash -памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в Flash -памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, Flash -память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И-НЕ). Структура NOR (рис. 26.14, а) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис. 26.14, б) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.

Рис.26.14. Структуры на основе NOR (a) и NAND (б)

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR . Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-Flash лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-Flash ниже, чем в других технологиях Flash -памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Более детально особенности микросхем Flash -памяти можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY 27xx(08/16)1G 1M фирмы Hynix . На рис. 26.15 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов.

Микросхема имеет следующие выводы:

I/O 8-15 – вход/выход данных для х16 устройств

I/O 0-7 – вход/выход данных, адресный вход или вход команд для х8 и х16 устройств;

ALE – включение адресной защелки;

CLE – включение защелки команд;

– выбор кристалла;

– разрешение чтения;

– чтение/занят (выход с открытым стоком);

– разрешение записи;

– защита от записи

V CC – напряжение питания;

V SS – общий вывод.

Рис.26.15. Схема внешних выводов (а), назначение выводов (б) и структурная схема (в) Flash -памяти

Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read ). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.26.16. Организация массива памяти NАND -структуры

Массив памяти NAND -структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис. 26.16).

Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC ), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block ) основной области. В 8-битных устройствах страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В 16-ти битных устройствах страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Память на основе ячеек NOR имеет сравнительно большие времена стирания и записи, но обладает доступом к каждому биту на чтение. Данное обстоятельство позволяет применять такие микросхемы для записи и хранения программного кода, который не требует частого перезаписывания. Такими применениями могут быть, например, BIOS для встраиваемых компьютеров или ПО для телевизионных приставок.

Свойства NAND-Flash определили область ее применения: карты памяти и иные устройства хранения данных. Сейчас данный тип памяти применяется почти повсеместно в мобильных устройствах, фото- и видеокамерах и т.д. NAND-Flash лежит в основе практически всех типов карт памяти: SmartMedia , MMC , SecureDigital, MemoryStick

Достигнутая в настоящее время информационная емкость Flash -памяти достигает 8ГБит, типовая совокупная скорость программирования и стирания составляет до 33.6 мС / 64 кБ при тактовой частоте до 70 МГц.

Двумя основными направлениями эффективного использования Flash -памяти являются хранение редко изменяемых данных и замена памяти на магнитных дисках. Для первого направления используется Flash -память с адресным доступом, а для второго – файловая память.

26.6. ОЗУ типа FRAM

FRAM – оперативное энергонезависимое ЗУ, сочетающее высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, присущие ОЗУ, со свойством хранения данных при отсутствии приложенного напряжения.

В сравнении с EEPROM и Flash -памятью время записи данных в ЗУ этого типа и потребляемая мощность намного меньше (менее 70 нс против нескольких миллисекунд), а ресурс по циклам записи намного выше (не менее 10 11 против 10 5 …10 6 циклов для EEPROM ).

FRAM должна стать в ближайшем будущем самой популярной памятью в цифровых устройствах. FRAM будет отличаться не только быстродействием на уровне DRAM , но и возможностью сохранять данные при отключении энергии. Словом, FRAM может вытеснить не только медленную Flash , но и обычную ОЗУ типа DRAM . Сегодня ферроэлектрическая память находит ограниченное применение, к примеру, в RFID -тэгах. Ведущие компании, в числе которых Ramtron, Samsung, NEC, Toshiba , активно развивают FRAM . Примерно к 2015 году на рынок должны поступить n -гигабайтные модули FRAM .

Указанные свойства FRAM обеспечивает сегнетоэлектрик (перовскит), используемый в качестве диэлектрика накопительного конденсатора ячейки памяти. При этом сегнетоэлектрическое ЗУ хранит данные не только в виде заряда конденсатора (как в традиционных ОЗУ), но и виде электрической поляризации кристаллической структуры сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрический кристалл имеет два состояния, которые могут соответствовать логическим 0 и 1.

Термин FRAM еще не устоялся. Первые FRAM получили название – ферродинамические ОЗУ. Однако в настоящее время в качестве запоминающих ячеек используется сегнетоэлектрик и сейчас FRAM часто называют сегнетоэлектрическим ОЗУ.

Первые FRAM имели 2Т /2С -архитектуру (рис.26.17, а), на основе которой выполняется и большинство современных микросхем сегнетоэлектрической памяти. Ячейка такого типа, в которой каждому биту соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определить разницу зарядов с высокой точностью. А благодаря считыванию дифференциального сигнала исключается влияние разброса параметров конденсаторов ячеек. Позже появились FRAM с архитектурой 1Т /1С (рис.26.17, б). Достоинство микросхем с такой архитектурой – меньшая, чем в обычных схемах площадь ячейки и, следовательно, меньшая стоимость микросхемы в пересчете на единицу информационной емкости.

На рис.26.18 приведена структурная схема сегнетоэлектрического ОЗУ (FRAM ) объемом 1 Мбит и параллельным интерфейсом доступа FM 20L 08 фирмы Ramtron . В таблице 26.1. показаны выводы микросхемы.

FM 20L 08 – энергонезависимая память с организацией 128К×8, которая считывается и записывается подобно стандартному статическому ОЗУ. Сохранность данных обеспечивается в течение 10 лет, при этом, нет необходимости задумываться о надежности хранения данных (неограниченная износостойкость), упрощается проектирование системы и исключается ряд недостатков альтернативного решения энергонезависимой памяти на основе статического ОЗУ с резервным батарейным питанием. Быстрота записи и неограниченное количество циклов перезаписи делают FRAM лидером по отношению к другим типам энергонезависимой памяти.

Рис.26.17. Ячейка памяти типа 2Т /2С (а) и 1Т /1С (б)

Рис.26.18. Структурная схема FRAM FM 20L 08