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.

Рисунок 1. Схема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), 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 2.

Рисунок 2. 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 рисунке 3.

Рисунок 3. Схема многоразрядного ПЗУ (ROM)

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:

Рисунок 4. Схема масочного постоянного запоминающего устройства (ROM)

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.

Рисунок 5. масочного ПЗУ (ROM) на принципиальных схемах

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.

Рисунок 6. Условно-графическое обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства (PROM) 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:

Рисунок 7. 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 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.

Рисунок 8. Внешний вид стираемого постоянного запоминающего устройства (EPROM)

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.

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.

Типы ПЗУ

ПЗУ – расшифровывается как постоянное запоминающее устройство, обеспечивающее энергонезависимое хранение информации на каком-либо физическом носителе. По способу хранения информации ПЗУ можно разделить на три типа:

1. ПЗУ, основанные на магнитном принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на изменении направления вектора намагниченности участков ферромагнетика под воздействием переменного магнитного поля в соответствии со значениями битов записываемой информации.

Ферромагнетик – вещество, способное при температуре ниже определенного порога (точки Кюри) обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля.

Считывание записываемых данных в таких устройствах основано на эффекте электромагнитной индукции или магниторезистивного эффекта. Этот принцип реализуется в устройствах с подвижным носителем в виде диска или ленты.

Электромагнитной индукцией называется эффект возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока проходящего через него.

Магниторезистивный эффект основан на изменении электрического сопротивления твердотельного проводника под действием внешнего магнитного поля.

Основное преимущество данного типа – большой объем хранимой информации и низкая стоимость единицы хранимой информации. Основной недостаток – наличие подвижных частей, большие габариты, низкая надежность и чувствительность к внешним воздействиям (вибрация, удары, перемещения и т.д.)

2. ПЗУ, основанные на оптическом принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на изменении оптических свойств участка носителя, например, за счет изменения степени прозрачности или коэффициента отражения. Примером ПЗУ, основанном на оптическом принципе хранения информации, могут служит CD -, DVD-, BluRay - диски.

Основное достоинство данного типа ПЗУ – низкая стоимость носителя, удобство транспортирования и возможность тиражирования. Недостатки – низкая скорость чтения/записи, ограниченное количество перезаписей, потребность в считывающем устройстве.

3. ПЗУ, основанные на электрическом принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на пороговых эффектах в полупроводниковых структурах – возможности хранения и регистрации наличия заряда в изолированной области.

Этот принцип используется в твердотельной памяти – памяти, не требующей использование подвижных частей для чтения/записи данных. Примером ПЗУ, основанном на электрическом принципе хранения информации, может служить flash – память.

Основное достоинство данного типа ПЗУ – высокая скорость чтения/записи, компактность, надежность, экономичность. Недостатки – ограниченное число перезаписи.

На данный момент существуют или находятся на этапе разработки и другие, «экзотические» типы постоянной памяти, такие как:

Магнитно-оптическая память – память, сочетающая свойства оптических и магнитных накопителей. Запись на такой диск осуществляется путем нагрева ячейки лазером до температуры около 200 о С. Разогретая ячейка теряет магнитный заряд. Далее ячейку можно остудить, что будет означать, что в ячейку записан логический ноль, либо зарядить заново магнитной головкой, что будет означать, что в ячейку записана логическая единица.

После охлаждения магнитный заряд ячейки изменить нельзя. Считывание производится лазерным лучом меньшей интенсивности. Если в ячейки содержится магнитный заряд, то лазерный луч поляризуется, а считывающее устройство определяет, является ли лазерный луч поляризованным. За счет «закрепления» магнитного заряда при охлаждении магнитно-оптические обладают высокой надежностью хранения информации и теоретически могут иметь плотность записи большую, чем ПЗУ основанное только на магнитном принципе хранения информации. Однако заменить «жесткие» диски они не могут из-за очень низкой скорости записи, обусловленную необходимостью высокого нагрева ячеек.

Широкого распространения магнитно-оптическая память не получила и используется очень редко.

Молекулярная память – память, основанная на технологии атомной туннельной микроскопии, позволяющей изымать или добавлять в молекулы отдельные атомы, наличие которых затем может считываться специальными чувствительными головками. Данная технология была представлена в середине 1999 года компанией Nanochip, и теоретически позволяла достичь плотности упаковки около 40 Гбит/см 2 , что в десятки раз превосходит существующие серийные образцы «Жестких» дисков, однако слишком низкая скорость записи и надёжность технологии не позволяет говорить о практическом использовании молекулярной памяти в обозримом будущем.

Голографическая память – отличается от существующих наиболее распространенных типов постоянной памяти, использующих для записи один или два поверхностных слоя, возможностью записывать данных по «всему» объему памяти с помощью различных углов наклона лазера. Наиболее вероятно применение такого типа памяти в ПЗУ на базе оптического хранения информации, где уже не в новинку оптические диски с несколькими информационными слоями.

Существуют и другие, совсем уж экзотические типы постоянной памяти, но они даже в лабораторных условиях балансируют на грани научной фантастики, поэтому упоминать о них не буду, поживем – увидим.

Доброго времени суток.

Если вы хотите заполнить пробел в знаниях относительно того, что такого ПЗУ, то попали по адресу. В нашем блоге вы сможете прочитать об этом емкую информацию на языке, доступном для простого пользователя.

Расшифровка и объяснение

Буквы ПЗУ являются заглавными в формулировке «постоянное запоминающее устройство». Его еще можно равноправно назвать «ROM». Английская аббревиатура расшифровывается как Read Only Memory, а переводится - память только для чтения.

Эти два названия раскрывают суть предмета нашей беседы. Речь идет об энергонезависимом типе памяти, которую можно только считывать. Что это значит?

• Во-первых, на ней хранятся неизменяемые данные, заложенные разработчиком при изготовлении техники, то есть те, без которых ее работа невозможна.
• Во-вторых, термин «энергонезависимый» указывает на то, что при перезагрузке системы данные с нее никуда не деваются, в отличие от того, как это происходит с оперативной памятью.

Стереть информацию с такого устройства можно только специальными методами, к примеру, ультрафиолетовыми лучами.

Примеры

Постоянная память в компьютере - это определенное место на материнской плате, в котором хранятся:

• Тестовые утилиты, проверяющие правильность работы аппаратной части при каждом запуске ПК.
• Драйвера управления главными периферийными девайсами (клавиатурой, монитором, дисководом). В свою очередь, те слоты на материнской плате, в функции которых не входит включение компьютера, не хранят свои утилиты в ROM. Ведь место ограничено.
• Прогу начальной загрузки (BIOS), которая при включении компа запускает загрузчик операционной системы. Хотя нынешний биос может включать ПК не только с оптических и магнитных дисков, но и с USB-накопителей.

В мобильных гаджетах постоянная память хранит в себе стандартные приложения, темы, картинки и мелодии. При желании пространство для дополнительной мультимедийной информации расширяют с помощью перезаписываемых SD-карт. Однако если устройство используется только для звонков, в расширении памяти нет необходимости.

В целом, сейчас ROM есть в любой бытовой технике, автомобильных плеерах и прочих девайсах с электроникой.

Физическое исполнение

Чтобы вы лучше могли познакомиться с постоянной памятью, расскажу больше о ее конфигурации и свойствах:

• Физически представляет собой микросхему со считывающим кристаллом, если входит в комплект компьютера, к примеру. Но бывают и самостоятельные массивы данных (компакт-диск, грампластинка, штрих-код и т. д.).
• ПЗУ состоит из двух частей «А» и «Э». Первая - диодно-трансформаторная матрица, прошиваемая при помощи адресных проводов. Служит для хранения программ. Вторая предназначена для их выдачи.
• Схематически состоит из нескольких одноразрядных ячеек. При записи определенного бита данных выполняется запайка к корпусу (ноль) или к источнику питания (единица). В современных устройствах схемы соединяются параллельно для увеличения разрядности ячеек.
• Объем памяти варьируется от нескольких килобайт до терабайт, в зависимости от того, к какому устройству она применена.

Виды

Разновидностей ПЗУ несколько, но чтобы не терять ваше время, назову только две основных модификации:

• Первая буква добавляет слово «programmable» (программируемое). Это значит, что пользователь может один раз самостоятельно прошить устройство.

• Еще две буквы впереди скрывают под собой формулировку «electrically erasable» (электрически стираемое). Такие ПЗУ можно перезаписывать сколько угодно. К этому типу относится флеш-память.

В принципе это всё, что я хотел сегодня до Вас донести.

Буду рад, если вы подпишетесь на обновления и будете заходить чаще.

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

Слово	Двоичное представление
А0	А1	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7	D8

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