ЦУМ / ddm-lectures

71

Возможны также страничный режим записи и страничный режим

считывания. При этом перепадом 1, 0 сигнала RAS фиксируется адрес строки, а адреса столбцов последовательно изменяются на адресных входах,

что сопровождается перепадами 1, 0 сигнала CAS и либо перепадами 1, 0

сигнала WR (при записи они предшествуют перепадам 1, 0 сигнала CAS , в то время как обратный перепад 0, 1 сигнала CAS предшествует обратному

перепаду 0, 1 сигнала WR ) либо подачей постоянного сигнала WR =1 (при считывании). В результате при записи или считывании реализуется перебор элементов одной строки. При этом экономия времени обеспечивается тем, что адрес строки заносится лишь один раз.

Регенерация осуществляется при постоянном сигнале CAS =1 и перебор адресов строк. Этот перебор реализуется последовательно сменой слов параллельного кода на адресных входах (для этого адресные входы могут быть подключены к выходам восьмиразрядного счетчика). Причем

после каждой смены кодового слова на адресных входах должен

формироваться перепад 1, 0 сигнала RAS , по которому новый адрес вводится

в адресный регистр строк и далее при RAS = 0 осуществляется регенерация очередной строки элементов памяти. В это время происходит очередное изменение слова на адресных входах, после чего формируются перепады 0, 1

и 1, 0 сигнала RAS . И т. д.

Аналогично используются и другие ОЗУ данной 565-й серии. Они различаются информационной емкостью (причем у всех n =1), другими параметрами, количеством источников питания (для рассмотренной микросхемы их три) и требуемой последовательностью их включения.

ПЗУ

Постоянные запоминающие устройства

[1, с. 64…69; 2, с. 383…385; 3, с. 264…267; 4, с. 96…102; 5, с. 157…163; 6, с. 214…217; 7, с. 187, 191; 9, с. 40, 41, 449…478; 10, с. 6…11, 57…60, 242…353]

Основные требования к ПЗУ:

1.Неразрушаемость хранимой информации.

2.Энергонезависимость, т. е. способность сохранять информацию при

отключении питания.

Связи ПЗУ и ЦП отличаются от схем связи ОЗУ лишь отсутствием ШвывД. Это обусловлено использованием ПЗУ только в двух режимах: режиме хранения и режиме считывания. Следовательно, ПЗУ не имеет информационных входов, а по ШД информация передается только от ПЗУ к ЦП. Режимы хранения и считывания устанавливаются сигналами управления, поступающими на управляющие входы.

ПЗУ, как и ОЗУ, могут представлять собой микросхемы с третьим состоянием или с открытым коллектором или с ЭСЛ-выходом (в частности, с открытым эмиттером). В режиме хранения ПЗУ, как и ОЗУ, либо

72

устанавливается в третье состояние, либо имеют логическую единицу на выходе типа «открытый коллектор», либо имеют логический нуль на ЭСЛ- выходе. Поэтому наращивание ПЗУ аналогично наращиванию ОЗУ.

Основной частью ПЗУ, как и для ОЗУ, является накопитель или матрица. Его функциональная схема может быть представлена так же, как и для ОЗУ, например, матрицей с пословной выборкой и одной ступенью дешифрации. Для ПЗУ эта функциональная схема может быть реализована, например, по следующей принципиальной схеме.

00, ..., (N −1)(n −1) – номера элементов памяти, X0, X1, ..., X N −1 – выходы

дешифратора, входы которого являются входами ПЗУ и подключены к ША. Т. е. лишь на одной из этих линий действует логическая единица.

Здесь Rн0, Rн1, ..., Rн(n−1) – сопротивления нагрузок. Остальные

обозначения соответствуют приведенной раньше функциональной схеме.

Информация здесь записана наличием или отсутствием диодов в узлах матрицы. Предполагается следующая кодировка сигналов:

73

Тогда при X0 =1, X1 = X2 = ... = X N −1 = 0 открываются диоды

верхней строки запоминающих элементов матрицы и по разрядным линиям D0, D1, ..., Dn−1 считывается параллельный двоичный код слова 11...1, что

соответствует высокому потенциалу на всех разрядных линиях. Поэтому остальные диоды матрицы, подключенные своими анодами (p-областями) к линиям X0, X1, ..., X N −1, имеющим низкий потенциал, будут заперты. Т. е.

эти линии не влияют на выходные сигналы. Аналогично при X1 =1 считывается слово 01...1, а при X N −1 =1 – слово 10...0 .

Для повышения нагрузочной способности вместо диодов используют транзисторные ключи на полевых или биполярных транзисторах. При этом полевой транзистор может включаться по следующей схеме.

Здесь j = 0,1, ..., N −1, i = 0,1, ..., n −1. При X j = 0 получим Di = 0 , так как транзистор заперт. При X j =1 транзистор открывается и Di =1. При отсутствии транзистора в данном узле и X j =1 (т. е. при нулях на остальных из линий X0, X1, ..., X N −1 и запирании подключенных к ним транзисторов) тоже имеем Di = 0 .

Различают следующие разновидности ПЗУ (ROM).

74

1.Масочные ПЗУ (ROM). Информация в такие ПЗУ заносится при их изготовлении (например, изготавливаются или не изготавливаются диоды или транзисторы в отдельных узлах матрицы).

2.Программируемые ПЗУ (ППЗУ или PROM). После изготовления

таких ПЗУ в них может заноситься информация электрическим способом с помощью специальных аппаратных, которые называют программатором. Сам этот процесс называют программирование ПЗУ. Программирование может осуществляться и на предприятии-изготовителе и непосредственно пользователем микросхемы. Оно может быть обеспечено, например, следующим способом. При изготовлении ПЗУ по интегральной технологии

перемычками. Причем эти диоды или транзисторы размещают во всех узлах матрицы. Отключение некоторых из них от указанных линий осуществляется электрическим способом: путем пропускания через соответствующие диоды или транзисторы достаточно большого тока, который нагревает и расплавляет соответствующие перемычки (как говорят, пережигает их).

В такие ПЗУ информация записывается однократно.

3. Перепрограммируемые или репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ или RPROM). В таких ПЗУ информация может многократно меняться с помощью

специальных аппаратных средств и с достаточно большими затратами времени. В этом их отличие от ОЗУ. Причем перед каждым новым программированием старая информация, как правило, должна стираться.

Поэтому такие ПЗУ называют еще стираемыми программируемыми ПЗУ (СППЗУ).

В ПЗУ на n-МОП транзисторах с так называемым плавающим затвором стирание осуществляется с помощью ультрафиолетового облучения (УФ- стирание) через прозрачную для таких лучей кварцевую крышку микросхемы в течение : 30 минут . У таких транзисторов в слое диэлектрика,

прилегающего к управляющему затвору, находится изолированная металлическая пленка. Ее и называют плавающим затвором. Если в некоторый узел матрицы (в некоторый элемент памяти) требуется записать нуль, то на управляющий затвор соответствующего транзистора подают большое положительное напряжение (например, 25 В в течение 100…300 мс). Тогда электроны под действием поля в канале приобретают большую энергию, «выбрасываются» в диэлектрик (окисел), дрейфуют на плавающий затвор, где и накапливаются, т. к. плавающий затвор со всех сторон изолирован диэлектриком. После этого за счет экранирования канала

отрицательным зарядом плавающего затвора напряжение отпирания транзистора становится достаточно большим (14…16 В). Поэтому при считывании такие транзисторы не отпираются, что эквивалентно отсутствию транзисторов в соответствующих узлах матрицы, т. е. записи нуля в соответствующие элементы памяти.

75

При УФ-стирании кванты ультрафиолетового излучения передают свою энергию электронам плавающего затвора, которые благодаря этому уходят в подложку кристалла (p-область) и там рекомбинируют. В результате напряжения отпирания транзисторов становятся малыми, что означает запись логической единицы во все элементы памяти.

Такие микросхемы (с УФ-стиранием и электрическим программированием часто обозначают EPROM.

ПЗУ с электрическим стиранием и электрическим программированием часто обозначают EEPROM или E2PROM.

Хотя иногда их обозначают, как и при УФ-стирании, EPROM. Среди них иногда выделяют те, которые допускают избирательное стирание в отдельных элементах памяти и обозначают EAROM. Например, микросхемы К573РР2, К573РР21, К573РР22.

Память E2PROM с наиболее высокой степенью интеграции называют флэш-памятью (от английского flash – вспышка, мгновение; такое название связано с тем, что обеспечивается быстрое стирание либо во всем объеме памяти, либо в большой его части – в так называемом блоке. Флэш-память с блочным стиранием называют boot-блок флэш-памятью (Boot Block Flash Memory) или сокращенно ББФП. Флэш-память не требует специализированного оборудования для своего перепрограммирования, т. е. совместима в частности, с универсальными микроЭВМ. Благодаря этому, а

также достаточно большой емкости такой памяти и росту максимально допустимого количества циклов перепрограммирования флэш-памяти она начала использоваться в качестве альтернативы памяти на жестком диске. Это так называемая файловая флэш-память. Еще одна разновидность – стратафлэш-память (StrataFlash). Здесь информация записывается как величина заряда на таких элементах, как так называемые плавающие затворы. Причем имеется возможность различения не двух, а четырех уровней заряда, т. е. хранения в каждом физическом элементе не одного, а двух бит информации.

В ПЗУ с электрическим стиранием используется либо n-МОП- транзисторы с плавающим затвором, либо МОП-транзисторы со слоем

нитрида кремния между металлическим затвором и изолирующим окислом (МНОП-транзисторы). Слой нитрида кремния (это тоже диэлектрик) имеет свойство накапливать и сохранять электрический заряд (положительный для транзистора с p-каналом, т. е. для p-МНОП или отрицательный для n- МНОП). Заряд накапливается на границе раздела нитрида кремния и изолирующего окисла. Таким образом, эта граница будет оказывать то же влияние, что и плавающий затвор. Упомянутый заряд выводится (при стирании и установке элементов памяти в состояние 1) и вводится (при программировании и установке элементов памяти в состояние 0) путем подачи на затвор импульсов различных полярностей.

76

Микросхемы масочных программируемых ПЗУ чаще всего имеют n >1 выходов D0, D1, ..., Dn−1, log2 N адресных входов A0, A1, ..., Alog2 N −1, вход

выбора кристалла CS или несколько входов выбора кристалла CS1, CS2, ...

Примеры:

Первая микросхема – масочное ПЗУ с организацией 2К×8 и с третьим

состоянием. Считывание из нее при CS = 0, а при CS =1 устанавливается режим хранения (третье состояние).

Вторая микросхема – программируемое ПЗУ с организацией 256×4 и с открытым коллектором. Считывание из нее только при CS1 = CS2 = 0, а в остальных случаях – хранение (на всех выходах единица).

Программируемые и репрограммируемые ПЗУ часто имеют дополнительные входы, обеспечивающие их программирование, а также стирание старой информации (для микросхем с электрическим стиранием). Кроме того, масочные, программируемые и репрограммируемые ПЗУ могут иметь дополнительные управляющие входы, во многом аналогичные входам выбора кристалла. Их обозначения и названия не всегда одинаковы в различных справочниках. Возможны и дополнительные выходы микросхем.

Пример: К573РФ3 (n-МОП с плавающим затвором)

77

Здесь UPR – вход, обеспечивающий программирование, на который в

режиме хранения и считывания постоянно подается напряжение питания. Этот вход называют «напряжение программирования» (при программировании сюда подается 18 В импульсом).

PR – сигнал программирования. Это управляющий вход, который

может использоваться и при программировании и для управления считыванием-хранением. При хранении и программировании PR = 0 , а для

считывания PR =1.

Кроме того, здесь имеются следующие управляющие входы: CS – выбор кристалла (CS =1 только при хранении);

CE – сигнал разрешения (CE = 0 только при считывании);

CEO – разрешение по выходу (CEO = 0 только при считывании);

RPLY – выход сигнала ответа. Это дополнительный выход. Здесь

действует логический нуль при наличии считываемого слова на информационных выходах. Наличие такого сигнала говорит о готовности микросхемы к выдаче данных.

Адресные входы и информационные выходы здесь мильтиплексированы, т. е. представляют собой одни и те же контакты микросхемы, которые в разное время используются по-разному. В режиме хранения выводы микросхемы D0, AD1, AD2, ..., AD15 в третьем состоянии.

При необходимости осуществить считывание 16-разрядного слова по заданному адресу вначале подаются сигналы PR =1, CE = 0 (в режиме

хранения они имели значения PR = 0 , CE =1) и 15-разрядный адрес на выводы AD1, AD2, ..., AD15, которые при этом выполняют функцию

адресных входов. В это время сигналы на других входах сохраняют те значения, которые имели в режиме хранения: CS =1, CEO =1. После

установления адресных сигналов формируется перепад 1, 0 на входе CS , по которому адрес заносится в микросхему (внутренний регистр), а выводы AD1, AD2, ..., AD15 переводятся в режим обрыва (третье состояние). Вывод

D0 все это время в третьем состоянии.

78

После этого подается отрицательный импульс CEO . Во время его действия (с некоторой задержкой), т. е. при CEO = 0 выводы D0, AD1, AD2, ..., AD15 устанавливаются в активное состояние и на них

формируется считываемое 16-разрядное слово, т. е. эти выводы в данное время являются информационными выходами. Одновременно со

считываемыми информационными сигналами действует отрицательный

импульс на выходе RPLY ( RPLY = 0 ).

Т. е. у данной микросхемы вывод D0 подключается к одной из линий ШД или ШввД, а выводы AD1, AD2, ..., AD15 – к остальным линиям этих шин и одновременно к ША, которая после передачи адреса должна переводиться

в третье состояние. Выход RPLY подключается к одной из линий ШУ. Микросхема имеет организацию 4К´16. При этом адрес должен

содержать log2 (4 × 210 )= log2 212 =12 разрядов. В то же время адресных

входов у микросхемы 15. Это объясняется тем, что 12 разрядов из подаваемого 15-разрядного адреса используются для выбора одного из 4К слов внутри микросхемы, а остальные три разряда обеспечивают выбор самой микросхемы в ЗУ из восьми таких микросхем. С этой целью в корпусе микросхемы имеется внутренний дешифратор «3 входа – 8 выходов», который тоже программируется после УФ-стирания так, чтобы данная

микросхема выбиралась лишь при одной из восьми комбинаций в трех упомянутых адресных разрядах. Таким образом, на базе восьми таких микросхем может быть построено ПЗУ с организацией 32К´16 (или некоторые другие варианты ПЗУ) без использования в схеме наращивания дополнительного дешифратора.

При использовании микросхемы в составе ЗУ меньшего объема на все или несколько из трех адресных входов во время подачи адреса должен поступать какой-либо неизменный код (в зависимости от программирования внутреннего дешифратора).