Классификация и физическая организация микросхем памяти, области их применения.

В настоящее время существует большое количество различных типов памяти, используемых в ЭВМ. Они различаются рядом признаков: принципом действия, логической организацией, конструктивной и технологической реализацией, функциональным назначением и.т.д.

По различию либо сходству этих признаков память можно классифицировать следующим образом (рис. 3):

Рис.3 Классификация памяти.

По способности сохранять информацию после отключения питания память можно разделить на два больших класса – постоянная и оперативная.

Постоянная память

Постоянная память хранит информацию, которая не должна изменяться во время выполнения процессором программы. Она сохраняет информацию при отключении питания, это свойство называется энергонезависимость (соответственно память данного класса иногда называют энергонезависимой). Запись информации в энергонезависимую память, называемая программированием или прошивкой, обычно существенно сложнее и требует больших затрат времени и энергии, чем считывание. Основным режимом работы такой памяти является считывание данных, что обуславливает их общее название ROM (Read Only Memory – память только для чтения) или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

По способу программирования микросхем (записи в них) микросхемы этого типа можно разделить на:

• Непрограммируемые ПЗУ;

• ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и довольно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.

• Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ — такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора, программным способом.

Теперь сделаем обзор всей иерархии постоянной памяти.

ROM — (Read-Only Memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ. Это самый простой вариант постоянной памяти, ее особенность заключается в том, что вся информация заносится на этапе изготовления кристалла. Название масочное связано с технологией его производства, которая заключается в напылении на кристалл маски –

Рисунок 4. Пример масочной ПЗУ.

матрицы состоящей из проводников и промежутков между ними. Наличие проводимости между парой проводников (соответствующих адресу) означает логическую единицу, отсутствие проводимости - логический ноль (рисунок 4). В процессе эксплуатации информацию в данной памяти изменять нельзя, поэтому микросхемы такой памяти используется для большой партии устройств с одинаковой прошивкой (например, различные контроллеры).

Достоинства масочной памяти:

• сравнительная простота процесса производства;

• высокое быстродействие (время доступа 30-70 нс);

• практически не чувствительна к магнитным полям;

• высокая надежность.

Недостатки масочной памяти:

• вся информация в микросхему закладывается в процессе производства, без возможности перепрошивки данной микросхемы.

PROM — (Programmable Read-Only Memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем – является более сложным вариантом ПЗУ. Эта микросхема имеет практически такую же структуру, что и масочное ПЗУ за одним исключением: с завода изготовителя все микросхемы выходят со всеми ячейками установленными в логическую единицу (все ячейки соответствуют наличию проводника). Информация в такую микросхему заносится разработчиком аппаратуры самостоятельно. Программирование осуществляется пережиганием перемычек в микросхеме высоким напряжением. Устройство для программирования микросхем ROM называется программатор. Надежность таких микросхем несколько ниже чем масочных ПЗУ, так как возможна ситуация когда проводимость на месте сожженного проводника со временем восстанавливается. Иногда микросхемы данной памяти используются для хранения кодов BIOS.

Достоинства памяти PROM:

• есть возможность разработчикам аппаратуры самостоятельно запрограммировать микросхему;

• высокое быстродействие (время доступа 30-70 нс);

• практически не чувствительны к магнитным полям;

Недостатки памяти PROM:

• возможна только однократная запись информации;

• возможно самопроизвольное восстановление проводимости пережженных проводников, что приводит к выходу из строя всей микросхемы.

EPROM — (Erasable Programmable Read-Only Memory, перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ)) относится к типу постоянной памяти с возможностью перепрограммирования, т.е. является многократно программируемой или репрограммируемой памятью, которая позволяет многократно изменять информацию хранящуюся в микросхеме, стирая перед этим старую. Ячейка памяти РПЗУ представляет собой полевой транзистор с плавающим затвором (рисунок 5).

Рисунок 5. Полевой транзистор с плавающим затвором.

Особенностью такого транзистора является наличие в диэлектрике под управляющим затвором изолированной проводящей области. Такая изолированная область получила название плавающего затвора (ПЗ). Для программирования такого элемента памяти на управляющий затвор, сток и исток подается импульс положительной полярности. Возникает процесс лавинного размножения электронов, и часть их обладающих большой энергией инжектирует на плавающий затвор (этот эффект называется эффектом лавинной инжекции заряда). Так как ПЗ со всех сторон окружен диэлектриком, заряд после этого сохраняется на нем неопределенно долго. В режиме считывания на управляющий затвор подается также импульс напряжения, но только меньшего уровня. Таким образом, при подаче управляющего напряжения, в зависимости от наличия заряда на ПЗ, транзистор будет закрыт или открыт. Наличие заряда на плавающем затворе соответствует логической единице, отсутствие нулю. Время доступа для микросхем данного типа лежит в пределах 50-250 нс. В зависимости от способа стирания информации различают РПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.

В микросхемах с ультрафиолетовым стиранием (РПЗУ УФС или UV-EPROM – Ultra-Violet EPROM) добиваются удаления заряда с плавающего затвора путем воздействия на переход транзистора УФ излучением, которое обладает свойством выбивать электроны. Такие микросхемы имеют стеклянное окошко, через которое можно облучать кристалл УФ лучами. В процессе эксплуатации окошко заклеивается, предотвращая стирание под действием солнечного или люминесцентного света. Программаторы для таких микросхем должны содержать в комплекте ультрафиолетовую лампу.

Достоинства UV-EPROM:

• возможность многократно перезаписывать микросхему.

Недостатки UV-EPROM:

• при приобретении программатора нужно переплачивать еще и за ультрафиолетовую лампу;

• на стирание микросхемы уходит 5 минут и более, в зависимости от емкости микросхемы, расстояния до лампы и ее мощности;

• нет гарантии полного стирания микросхемы, поэтому «недотертые» микросхемы могут давать сбои;

• передержка при стирании уменьшает возможное число циклов перепрограммирования;

• возможно стирание только всей микросхемы полностью.

В микросхемах с электрическим стиранием (РПЗУ ЭС или EEPROM – Electric EPROM) стирание записанной информации производится импульсом положительного напряжения, приложенного уже только к управляющему. В микросхемах такого типа обычно предусматривается выборочная перезапись информации, т.е. стирается и перезаписывается информация не из всей микросхемы, как для метода с УФ стиранием, а только выбранный байт. Часто для микросхем такого типа предусматривается возможность программировать ее не вынимая из устройства. Разновидностью микросхем с электрическим стиранием является так называемая флэш-память (от слова flash - вспышка). В микросхемах флэш-памяти расстояние между плавающим затвором и подложкой уменьшено по сравнению с обычной РПЗУ ЭС, что позволило ускорить процесс перезаписывания информации. Микросхемы флэш-памяти обеспечивают быстрое чтение информации и приемлемую скорость записи. Кроме того, схема программатора встроена непосредственно в микросхему. Это позволяет менять данные, записанные в такой памяти во время выполнения программы, т.е. работать с ней также как оперативной памятью, при этом информация будет сохраняться и после выключения питания. Таким образом, флэш-память соединяет достоинства постоянной и оперативной памяти. Эти свойства позволяют использовать такую память во всевозможных переносных устройствах (цифровые камеры, MP3 плееры и.т.д.). В ЭВМ флэш-память используется для хранения BIOS системы и устройств.

Достоинства EEPROM:

• возможность многократно и выборочно перезаписать информацию (все современные микросхемы позволяют выборочную перезапись, хотя в случае довольно старых микросхем такой возможности может и не быть);

• сравнительно высокая скорость стирания и записи данных;

Недостатки EEPROM:

• стоимость единицы информационного объема достаточно высока;

• количество циклов перезаписи относительно оперативной памяти небольшое.