15.3 Постоянные запоминающие устройства
При выборе формы сигналов, передаваемых по линиям связи, очень важно, чтобы этот сигнал не искажался при передаче по линиям связи. В цифровых устройствах не искажаются прямоугольные сигналы. Однако как только мы попытаемся передать их через аналоговые цепи, такие как усилители мощности, фильтры или антенны, прямоугольные сигналы будут искажены.
Для передачи по аналоговым цепям идеально подходят синусоидальные сигналы. Именно они не искажаются при распространении по таким цепям. У этих сигналов может измениться только амплитуда и фаза. Поэтому, если мы собираемся заняться обработкой сигналов, то мы должны уметь генерировать сигналы такой формы.
Самый простой способ получить синусоидальную функцию — это считать её из таблицы. А это в свою очередь означает, что эту таблицу где-то надо хранить.
Еще одна распространенная ситуация, где требуется хранить цифровые значения при выключенном питании — это весовые коэффициенты фильтров с конечной импульсной характеристикой.
Итак, для разработки устройств обработки сигналов нам потребовалось запоминающее устройство. Причём такое устройство, которое может сохранять информацию и при выключении питании. Такое устройство получило название постоянное запоминающее устройство — ПЗУ.
Масочное ПЗУ
В цифровых устройствах удобнее всего хранить информацию в двоичном коде. Но ведь в этом случае можно просто соединять соответствующий бит слова с шиной питания или общим проводом, то есть в качестве запоминающей ячейки может работать металлизированная перемычка.
Теперь обратим внимание на то, что при формировании сигнала отсчёты амплитуды сигнала нам будут требоваться последовательно, то есть все данные не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации можно построить на рассмотренных нами в предыдущих главах мультиплексорах. Схема постоянного запоминающего устройства, построенного на основе обычного мультиплексора, приведена на рисунке 15.12.
Рисунок15.12 – Схема простейшего постоянного запоминающего устройства, построенная на мультиплексоре
В схеме, приведенной на рисунке 15.12, построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится присоединением входа мультиплексора к источнику питания (запись единицы). Запись нуля осуществляется присоединением того же входа мультиплексора к общему проводу. Выбор конкретной ячейки памяти осуществляется при помощи адресных входов A0 … A2. В приведённой на рисунке 14.12 схеме это входы управления мультиплексора.
В ряде случаев постоянные запоминающие устройства выполняются в виде универсальных схем. Во многих радиоэлектронных устройствах информация на выходе ПЗУ не требуется постоянно. Она должна быть предоставлена только по специальному запросу. Этот запрос формирует сигнал RD. Название сигнала RD расшифровывается как read (чтение). Сигнал чтения можно завести на внутренний дешифратор мультиплексора, то есть воспользоваться его управляющим входом, как это показано на рисунке 15.12. В результате, содержимое ячейки памяти ПЗУ появится на его выходе только при активном уровне сигнала чтения RD. При всех других условиях выход микросхемы будет оставаться в высокоомном состоянии.
Обычно при построении устройств памяти решается ещё одна задача — это задача расширения объёма памяти. Расширить объем памяти можно с помощью дополнительного дешифратора адреса. Но этот дешифратор нужно каким-либо способом подключать к микросхемам памяти для того, чтобы запрещать или разрешать работу выбираемых микросхем.
Для подключения дополнительного дешифратора адреса в микросхеме ПЗУ служит ещё один вход — CS (chip select — выбор кристалла). У постоянного запоминающего устройства эта функция совпадает с функцией чтения содержимого памяти, поэтому сигнал выбора кристалла CS и сигнал чтения RD можно объединить при помощи логического элемента "2И".
На принципиальных схемах устройство запоминания постоянной информации (ПЗУ) обозначается, как показано на рисунке 15.13.
Рисунок 15.13 – Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах
На этом рисунке приведено условно-графическое обозначение, соответствующее принципиальной схеме устройства, показанной на рисунке 15.13. Надпись ROM в среднем поле обозначения микросхемы является сокращением от английских слов read only memory (память доступная только для чтения).
Для целей цифровой обработки сигналов при хранении отсчётов амплитуды сигнала недостаточно одного двоичного разряда. Обычно для запоминания конкретного значения напряжения используются многоразрядные двоичные числа.
Для того чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ микросхемы, рассмотренные ранее, можно соединять параллельно. При этом информационные выходы и записанная в одноразрядных ячейках информация естественно остаются независимыми. Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ для реализации многоразрядного запоминающего устройства приведена на рисунке 15.14, а условно-графическое обозначение многоразрядного ПЗУ на принципиальных схемах — на рисунке 15.15.
Рисунок 15.14 – Схема многоразрядного ПЗУ
Рисунок 15.15 – Условно-графическое обозначение многоразрядного масочного постоянного запоминающего устройства
Как видно из приведённой на рисунке 15.14 схемы, адресные входы схемы объединяются параллельно. При этом возрастает входной ток схемы по каждому из адресных входов схемы. Для того чтобы этого не происходило, на адресных входах обычно применяются усилители сигнала. В качестве усилителей цифрового сигнала, как и в предыдущих примерах, можно использовать самые обыкновенные инверторы, как это показано на рисунке 15.14. С точно такой же целью поставлены инверторы и на входах чтения и выбора кристалла.
В реальных схемах 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 в качестве дешифратора адреса не только мультиплексора, но и демультиплексора. Такое схемное решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в двухмерную и, тем самым, существенно сократить объём дешифратора адреса ПЗУ. Реализация двухмерного ПЗУ приведена на рисунке 15.16.
Рисунок 15.16 – Схема масочного постоянного запоминающего устройства
Условно-графическое обозначение микросхемы масочного ПЗУ приведено на рисунок 15.15. Надпись ROM в центральной части микросхемы является сокращением от английских слов read only memory (память доступная только по чтению).
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 до настоящего времени.
ПЗУ с записанной в нём таблицей синуса относится к таким схемам. Поэтому такие ПЗУ широко распространены в настоящее время. Еще чаще эти ПЗУ встречаются в составе микросхем, предназначенных для цифровой обработки сигналов — сигнальных процессорах и микросхемах прямого цифрового синтеза (DDS).
Программируемые постоянные запоминающие устройства
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. Поликристаллический кремний наносится сверху на оксид кремния, используемый в кремниевых микросхемах как изолятор.
Так как внутренняя схема такого ПЗУ не отличается от внутренней схемы масочного ПЗУ, то для иллюстрации внутреннего устройства этой схемы можно воспользоваться рисунком 15.16, предполагая при этом, что все точки пересечения вертикальных и горизонтальных проводов являются плавкими поликремниевыми перемычками.
При производстве микросхемы ПЗУ изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все биты ячейки памяти логических единиц. Запись нуля в нужные биты ячейки памяти производится в специальном устройстве, называемом программатором. Эта операция выполняется уже на этапе разработки или производства аппаратуры, а это значит, что такой вид ПЗУ более удобен при мелком и среднесерийном производстве.
В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом если на выход микросхемы подаётся напряжение питания (логическая единица), то на обоих концах перемычки будет присутствовать один и тот же потенциал, а значит, через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Эта ситуация иллюстрируется рисунком 15.17.
Рисунок 15.17 – Запись в ячейку программируемого постоянного запоминающего устройства логической единицы
Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить этот вывод ПЗУ к корпусу), то через перемычку будет протекать ток, как это показано на рисунке 14.18. Этот ток испарит плавкую поликремниевую перемычку, и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль.
Рисунок 15.18 – Протекание тока через плавкую перемычку программируемого постоянного запоминающего устройства при записи нуля
Микросхемы, работающие по такому принципу, называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) и изображаются на принципиальных схемах так, как это показано на рисунке 15.19. Надпись PROM в центральной части микросхемы является сокращением от английских слов programming read only memory (программируемая память, доступная только по чтению). В качестве примера таких ПЗУ можно назвать такие отечественные микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8.
Рисунок 15.19 – Условно-графическое обозначение постоянного запоминающего устройства
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 ППЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выбрасывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, содержимое которого могло бы стираться и программироваться заново.
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на рисунке 15.20.
Рисунок 15.20 – Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием
Запоминающая 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. Из-за того, что затвор со всех сторон окружен диэлектриком — он как бы плавает внутри диэлектрика, этот затвор получил название плавающего затвора.
В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании микросхемы на программирующий электрод, находящийся над плавающим затвором, подается высокое напряжение и в последнем за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения на плавающем затворе индуцированный заряд сохраняется и, следовательно, транзистор остается в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе может храниться десятки лет.
Структурная схема постоянного запоминающего устройства с ультрафиолетовым стиранием не отличается от приведенной на рисунке 14.16 схемы масочного ПЗУ. Единственным отличием является то, что вместо плавкой поликремниевой перемычки, используется описанная выше ячейка. Такой вид ПЗУ в отечественной литературе получил название репрограммируемые ПЗУ.
Стирание ранее записанной информации в репрограммируемых ПЗУ осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того чтобы оно могло беспрепятственно воздействовать на полупроводниковый кристалл, в корпус микросхемы РПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла. При облучении микросхемы, 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 колеблется в пределах 10–30 минут.
Количество циклов записи-стирания микросхем РПЗУ составляет от 10 до 100 раз, после чего вследствие разрушающего действия ультрафиолетового излучения микросхема выходит из строя. В качестве примера таких микросхем можно назвать микросхемы 573-й серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В этих микросхемах чаще всего хранятся программы для сигнальных процессоров или конфигурация соединений программируемых логических схем (ПЛИС). Репрограммируемые ПЗУ изображаются на схемах в виде условного графического обозначения, показанного на рисунке 15.21. Надпись «EPROM» в центральной части микросхемы является сокращением от английских слов erasable programmable read-only memory (стираемая программируемая память, доступная только для чтения).
Рисунок 15.21 – Условно-графическое обозначение репрограммируемого постоянного запоминающего устройства
ПЗУ с электрическим стиранием информации
То, что корпуса микросхем с кварцевым окошком очень дороги, а также такой параметр как 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.
В настоящее время 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 микросхем с электрическим стиранием получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:
Электрически стираемые ПЗУ (ЭСППЗУ);
FLASH-ПЗУ.
Из-за сложности внутренней схемы управления запоминающими элементами электрически стираемые ПЗУ 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 разрушаться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3 и зарубежные микросхемы серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ изображаются на схемах при помощи условного графического обозначения, показанного на рисунке 15.22. Надпись «EEPROM» в среднем поле расшифровывается как electrically erasable programmable read-only memory — электрически стираемая программируемая память, доступная только для чтения.
Рисунок 15.22 – Условно-графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства
В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСРПЗУ за счет сокращения количества внешних выводов микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы в виде последовательного кода. При этом используются два вида последовательных интерфейсов: SPI и I2C (микросхемы серий 93сXX и 24cXX соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРx.
Рисунок 15.23 – Обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах
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. Изображение FLASH-ПЗУ на принципиальных схемах приведено на рисунке 15.23. Использование блочного стирания микросхем позволяет уменьшить сложность внутренней схемы микросхем, поэтому микросхемы FLASH предоставляют максимальный объём внутренней памяти. Кроме того, эти микросхемы обладают значительно меньшей стоимостью по сравнению с электрически стираемыми ПЗУ. В настоящее время FLASH-ПЗУ постепенно вытесняют все остальные виды ПЗУ за исключением электрически стираемых ПЗУ.