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.
В электронных устройствах одним из наиболее важных элементов, обеспечивающих работу всей системы считается память, которая делится на внутреннюю и внешнюю. Элементами внутренней памяти считают ОЗУ, ПЗУ и кеш процессора. Внешняя – это всевозможные накопители, которые подключаются к компьютеру из вне – жесткие диски, флешки, карты памяти и др.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения данных, изменение которых в процессе работы невозможно, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для помещения в её ячейки информации от процессов, происходящих в текущий момент времени в системе, а кеш память используется для срочной обработки сигналов микропроцессором.
Что такое ПЗУ
ПЗУ или ROM (Read only memory – Только для чтения) – типичное устройство хранения неизменяемой информации, включенное в состав почти каждого компонента ПК и телефона и требующееся для запуска и работы всех элементов системы. Содержимое в ROM записано производителем аппаратного обеспечения и содержит директивы для предварительного тестирования и запуска устройства.
Свойствами ПЗУ являются независимость от питания, невозможность перезаписи и возможность хранить информацию длительные сроки. Информация, содержащаяся в ROM, вносится разработчиками однажды, и аппаратное обеспечение не допускает её стирания, хранится до окончания службы компьютера или телефона, или его поломки. Конструктивно ПЗУ защищены от повреждений при перепадах напряжения, поэтому нанести ущерб содержащейся информации могут только механические повреждения.
По архитектуре делятся на масочные и программируемые:
- В масочных устройствах информация вносится с помощью типичного шаблона на финальном этапе изготовления. Содержащиеся данные не могут быть перезаписаны пользователем. Разделяющими компонентами выступают типичные pnp элементы транзисторов или диодов.
- В программируемых ПЗУ (Programmable ROM) информация представлена в виде двумерной матрицы проводящих элементов, между которыми расположен pn переход полупроводникового элемента и металлическая перемычка. Программированием такой памяти происходит устранением или созданием перемычек посредством тока высокой амплитуды и продолжительности.
Основные функции
В блоки памяти ROM вносят информацию по управлению аппаратным обеспечением заданного устройства. ПЗУ включает в себя следующие подпрограммы:
- Директиву старта и контроля за работой микропроцессора.
- Программу проверяющую работоспособность и целостность всего аппаратного обеспечения, содержащегося в компьютере или телефоне.
- Программу дающую начало работе системы и завершающее её.
- Подпрограммы, управляющие периферийным оборудованием и модулями ввода/вывода.
- Данные о адресе операционной системы на физическом накопителе.
Архитектура
Постоянные запоминающие устройства выполнены в виде двухмерного массива . Элементами массива являются наборы проводников, часть которых не затрагивается, прочие ячейки разрушаются. Проводящие элементы являются простейшими переключателями и формируют матрицу за счет поочередного соединения их к рядам и строкам.
Если проводник замкнут, он содержит логический ноль, разомкнут – логическую единицу. Таким образом в двухмерный массив физических элементов вносят данные в двоичном коде, которые считывает микропроцессор.
Разновидности
В зависимости от способа изготовления устройства ПЗУ делят на:
- Обыкновенные , создаваемые фабричным способом. Данные в таком устройстве не изменяются.
- Программируемые ПЗУ, допускающие изменение программы один раз.
- Стираемое программируемое оборудование , позволяющее очищать данные с элементов и перезаписывать их, например, посредством ультрафиолета.
- Электрически очищаемые перезаписываемые элементы, в которых допускается многократное изменение . Такой вид применяется в HDD, SSD, Flash и других накопителях. На такой же микросхеме записан BIOS на материнских платах.
- Магнитные , в которых информация хранилась на намагниченных участках, чередующихся с не намагниченными. В них была возможна перезаписи.
Разница между RAM и ROM
Отличия между двумя видами аппаратного обеспечения, заключаются в её сохранности при отключении питания, скорости и возможности доступа к данным.
В оперативной памяти (Random access memory или RAM) информация содержится в последовательно расположенных ячейках к каждой из которых возможно получить доступ посредством программных интерфейсов . RAM содержит данные о выполняемых в текущий момент процессах в системе, таких как программы, игры, содержит значения переменных и списки данных в стеках и очередях. При отключении компьютера или телефона RAM память полностью очищается . По сравнению с ROM памятью она отличается большей скоростью доступа и потреблением энергии.
ROM память работает медленнее, и для своей работы потребляет меньше энергии. Главное отличие заключается в невозможности изменять входящие данные в ПЗУ, в то время как в ОЗУ информация меняется постоянно.
Структура микропроцессора Устройство управления Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины. Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 4.5. Здесь представлены: Рис. 4.5.Укрупненная функциональная схема устройства управления Регистр команд – запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд. Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов. Постоянное запоминающее устройство микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов. Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) – устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП. Кодовые шины данных, адреса и инструкций – часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:- выборки из регистра-счетчика адреса команды MПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
- выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
- расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
- считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
- считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
- выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
- записи результатов операции в память;
- формирования адреса следующей команды программы.
Рис. 4.6.Функциональная схема АЛУ
Сумматор –
вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры -
быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2) – разрядность слова.
При выполнении операций в Рг1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции – результат; в Рг2 – второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может и принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них, регистр 2 только получает информацию с этих шин.
Схемы управления
принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *, :) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.
Микропроцессорная память
Микропроцессорная память
- память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами – тысячными долями микросекунды).
Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров
с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП 8086 до нескольких десятков регистров разной длины у МП Pentium .
Регистры микропроцессора
делятся на регистры общего назначения и специальные.
Специальные регистры
применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др.
Регистры общего назначения
являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.
Интерфейсная часть микропроцессора
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.
Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода-вывода.
Порты ввода-вывода
– это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65536. Каждый порт имеет адрес – номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.
Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти – для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной и портами
выполняет следующие функции:
- формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
- прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
- организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.
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
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для постоянного, энергонезависимого хранения информации.
По способу записи ПЗУ классифицируют следующим образом:
- однократно программируемые маской на предприятии-изготовителе;
- однократно программируемые пользователем с помощью специальных устройств, называемых программаторами - ППЗУ ;
- перепрограммируемые, или репрограммируемые ПЗУ - РПЗУ .
Масочные ПЗУ
Программирование масочных ПЗУ происходит в процессе изготовления БИС. Обычно на кристалле полупроводника вначале создаются все запоминающие элементы (ЗЭ) , а затем на заключительных технологических операциях с помощью фотошаблона слоя коммутации реализуются связи между линиями адреса, данных и собственно запоминающим элементом. Этот шаблон (маска) выполняется в соответствии с пожеланиями заказчика по картам заказа. Перечень возможных вариантов карт заказов приводится в технических условиях на ИМС ПЗУ . Такие ПЗУ изготавливаются на основе матриц диодов, биполярных или МОП-транзисторов.
Масочные ПЗУ на основе диодной матрицы
Схема такого ПЗУ представлена на рис. 12.1 . Здесь горизонтальные линии – адресные, а вертикальные – это линии данных, с них в данном случае снимаются 8-разрядные двоичные числа. В данной схеме ЗЭ – это условное пересечение линии адреса и линии данных. Выбор всей строки ЗЭ производится при подаче логического нуля на линию адреса ЛА i c соответствующего выхода дешифратора. В выбранный ЗЭ записывается логический 0 при наличии диода на пересечении линии D i и ЛА i , т.к. в этом случае замыкается цепь: + 5 В, диод, земля на адресной линии. Так, в данном ПЗУ при подаче адреса 11 2 активный нулевой сигнал появляется на адресной линии ЛА 3 , на ней будет уровень логического 0, на шине данных D 7 D 0 появится информация 01100011 2 .
Масочные ПЗУ на основе матрицы МОП-транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.2 . Запись информации осуществляется подключением или неподключением МОП-транзистора в соответствующих точках БИС. При выборе определенного адреса на соответствующей адресной линии ЛА i появляется активный сигнал логической 1, т.е. потенциал, близкий к потенциалу источника питания + 5 В. Данная логическая 1 подается на затворы всех транзисторов строки и открывает их. Если сток транзистора металлизирован, на соответствующей линии данных D i появляется потенциал порядка 0,2 0,3 В, т.е. уровень логического 0. Если же сток транзистора не металлизирован, указанная цепь не реализована, на сопротивлении R i не будет падения напряжения, т.е. в точке D i будет потенциал +5 В, т.е. уровень логической 1. Например, если в показанном на рис. 12.2 ПЗУ на адрес подать код 01 2 , на линии адреса ЛА 1 будет активный уровень 1, а на шине данных D 3 D 0 будет код 0010 2 .
Масочные ПЗУ на основе матрицы биполярных транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.3 . Запись информации осуществляется также металлизацией или неметаллизацей участка между базой и адресной линией. Для выбора строки ЗЭ на линию адреса ЛА i подается логическая 1. При металлизации она подается на базу транзистора, он открывается вследствие разницы потенциалов между эмиттером (земля) и базой (примерно + 5 В). При этом замыкается цепь: + 5 В; сопротивление R i ; открытый транзистор, земля на эмиттере транзистора. В точке D i при этом будет потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом транзисторе – порядка 0,4 В, т.е. логический 0. Таким образом, в ЗЭ записан ноль. Если участок между линией адреса и базой транзистора не металлизован, указанная электрическая цепь не реализована, падения напряжения на сопротивлении R i нет, поэтому на соответствующей линии данных D i будет потенциал +5 В, т.е. логическая 1. При подаче, например, адреса 00 2 в приведенном на рис. 12.3 ПЗУ на ШД появится код 10 2 .
Примеры масочных ПЗУ приведены на рис. 12.4 , а в табл. 12.1 – их параметры .
| Обозначение БИС | Технология изготовления | Информационная емкость, бит | Время выборки, нс |
|---|---|---|---|
| 505РЕ3 | pМОП | 512x8 | 1500 |
| К555РE4 | ТТЛШ | 2Кx8 | 800 |
| К568РЕ1 | nМОП | 2Кx8 | 120 |
| К596РЕ1 | ТТЛ | 8Кx8 | 350 |
Программируемые ПЗУ
Программируемые ПЗУ (ППЗУ ) представляют собой такие же диодные или транзисторные матрицы, как и масочные ПЗУ, но с иным исполнением ЗЭ. Запоминающий элемент ППЗУ приведен на рис. 12.5 . Доступ к нему обеспечивается подачей логического 0 на линию адреса ЛА i . Запись в него производится в результате осаждения (расплавления) плавких вставок ПВ, включенных последовательно с диодами, эмиттерами биполярных транзисторов, стоками МОП-транзисторов. Плавкая вставка ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при программировании импульсами тока величиной 50 100 микроампер и длительностью порядка 2 миллисекунд. Если вставка сохранена, то в ЗЭ записан логический 0, поскольку реализована цепь между источником питания и землей на ЛА i через диод (в транзисторных матрицах – через открытый транзистор). Если вставка разрушена, то указанной цепинет и в ЗЭ записана логическая 1.