2.6 Постоянные запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство - очень важная составная часть любой микропроцессорной системы. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание хранимой информации. По сравнению с ЗУ с произвольным обращением, конструкция ПЗУ значительно проще, быстродействие и надёжность, выше, а стоимость ниже.

ПЗУ широко используются для хранения неизменяемой (или редко изменяемой) информации - системного программного обеспечения (ВIOS), таблиц - например знакогенераторов графических адаптеров, программ, предназначенных для решения определённого набора задач, для которых имеется отработанные алгоритмы. Примерами могут служить бортовые ЭВМ самолётов, ракет и космических кораблей, а также вычислительные комплексы, управляющие технологическими процессами.

В зависимости от типа запоминающих элементов различают резисторные, ёмкостные, индуктивные, полупроводниковые и другие ПЗУ. Наиболее распространенным типом являются полупроводниковые интегральные ПЗУ.

Полупроводниковые ПЗУ являются энергонезависимыми и имеют большую ёмкость на одном кристалле.

Запоминающий массив образуется системой взаимно перпендикулярных линий, в пересечении которых устанавливаются запоминающие элементы (ЗЭ). По типу ЗЭ, устанавливающих или разрывающих связь (контакт) между горизонтальными и вертикальными линиями, различают диодные, биполярные и МОП-схемы ПЗУ.

Существуют четыре типа ПЗУ различного назначения.

Постоянные запоминающие устройства с масочным программированием - это устройства, в которых информация записана раз и навсегда в процессе изготовления полупроводниковых БИС. Запись производится путём металлизации промежутков, позволяющих соединить через диоды (или через МОП-транзисторы) соответствующие линии строк и столбцов (рис.2.1). Это делается с помощью маскирующих фотошаблонов. Они задают участки металлизации, которые требуются для кодирования той или иной информации. Этим способом изготавливают ПЗУ для микропрограмм, для преобразования двоичного кода в коды символов (русских, украинских и латинских букв, цифр).

Масочное диодное ПЗУ, изображенное на рисунке 2.14, содержит фрагмент программы ёмкостью четыре байта, который расположен в адресном пространстве ØØh –Ø3h. Схема состоит из дешифратора, имеющего адресные входы и прямые выходы, а также систему адресных и разрядных линий.

Количество n адресных входов дешифратора определяется размерами адресного пространства и определяет число выходов дешифратора, равное 2ⁿ. Так, например, для адресации ячеек памяти, расположенных в адресном пространстве ØØh÷Ø7h, достаточно трёх адресных входов АØ - А2. При выходе за это пространство количество адресных входов увеличивается.

В зависимости от кода, поданного на адресные входы, на одной из адресных линий появляется единичный (высокий) потенциал. На всех остальных линиях в этот момент будет низкий потенциал. Этот высокий потенциал через открытые диоды по цепи анод - катод и участки металлизации поступает на разрядные линии и далее - на усилители считывания.

Таким образом, формируется соответствующий код команды или символа.

В задании 2 фрагмент программы задан в десятичной системе счисления. Для реализации ПЗУ его необходимо преобразовать в двоичную систему счисления, а затем записать в шестнадцатеричной системе счисления.

В настоящее время большая часть ПЗУ изготавливается с использованием МОП-технологии. Если затвор МОП-транзистора подсоединён к выбранной строке, то транзистор открывается и шунтирует напряжение уровня «1» на «землю». Поэтому на соответствующей разрядной линии формируется сигнал «0». Если затвор МОП-транзистора к выбранной строке не подсоединён, то транзистор не открывается, и на выходе данного разряда ПЗУ сигнал имеет значение, равное «1».

Кроме масочных ПЗУ используются также ПЗУ, программируемые пользователем (ППЗУ). Они отличаются тем, что при их изготовлении все диоды соединяются с соответствующими столбцами с помощью плавких перемычек, как показано на рис. 2,11.

Программирование такого ППЗУ заключается в том, что на него последовательно подаются адреса слов, а импульсами тока разрушаются перемычки в тех местах, где они не нужны.

В результате получается структура памяти, изображённая на рисунке 2.16. Здесь ППЗУ содержит фрагмент памяти, который располагается в адресном пространстве ØСh÷ØFh и который состоит из четырёх байтов.

Дешифратор с инверсными выходами подаёт сигнал «0» на выбранную строку. На тех выходных вертикальных линиях, на которых сохранены диодные связи с выбранной горизонтальной линией, формируются сигналы логического «0», на остальных - логической «1».

При проектировании ППЗУ можно руководствоваться теми же рекомендациями, что и в предыдущем случае.

Третьим типом ПЗУ являются перепрограммируемые ПЗУ (РППЗУ). Они позволяют производить запись и стирание информации. Организация РППЗУ отличается от организаций ППЗУ тем, что между линиями строк и столбцов установлены не диоды с плавными перемычками, а специальные МОП-транзисторы с изолированным затвором. После изготовления все МОП-транзисторы обладают очень большим сопротивлением (т.е. закрыты). Подачей импульса большой амплитуды МОП-транзистор переводится в проводящее состояние, которое он может сохранять более 10 лет.

Для возвращения МОП-транзисторов в исходное (закрытое) состояние их надо подвергнуть длительному воздействию ультрафиолетовых лучей. Групповое облучение всех МОП-транзисторов производится на специальных установках в течение 10-30 мин. через прозрачное окно в корпусе микросхемы. После этого схема РППЗУ оказывается в исходном состоянии, и её можно снова программировать.

Широкое распространение получил четвёртый тип ПЗУ - электрически изменяемое постоянное запоминающее устройство (ЭИПЗУ). В таких схемах после программирования можно вернуть в исходное состояние электрическим сигналом любой отдельно взятый МОП-транзистор. ЭИПЗУ энергонезависимы, однако они не обеспечивают долговременного хранения информации. Кроме того, они имеют наибольшую стоимость и наименьшую плотность размещения информации. Для стирания, записи и чтения данных в них требуется разное напряжение.

В последние годы появился новый тип электрически изменяемого ПЗУ -ФЛЕШ-память. Ячейка такой памяти содержит, подобно ячейке EEPRОМ, транзистор, управляемый "захваченным" зарядом.

Однако технологии флеш-памяти и EEPRОМ, несмотря на большое сходство, существенно различаются. Память EEPRОМ М позволяет считывать и записывать содержимое одной ячейки. Флеш-память дает возможность считывать ячейки по одной, а записывать только блоками. Перед записью исходное содержимое блока ячеек стирается. Флеш-память имеет большую плотность ячеек, а, следовательно, большую емкость и меньшую стоимость в пересчете на бит. Для нее достаточно напряжения питания одного уровня, ,и к тому же она более экономична.

Благодаря своей экономичности флэш-память удобна для использования в портативных системах, работающих на батареях. Она применяется в портативных компьютерах, сотовых телефонах, цифровых видеокамерах и плеерах.

В случае применения в портативных компьютерах и сотовых телефонах флеш-память содержит программное обеспечение, заменяя собой дисковые устройства. В цифровых камерах она используется для хранения изображений, а в плеерах - для хранения звука.

Флеш-память используется в виде больших модулей, состоящих из множества микросхем. Существуют две популярные разновидности таких модулей: флеш-карты и более крупные модули - флеш-диски.