Konspekt_lektsy_MPT
.pdfЭто дает огромный выигрыш на начальных стадиях разработки микроконтроллерных систем или в процессе их изучения, когда много времени уходит на поиск причин неработоспособности системы и выполнение циклов стирания-программирования памяти программ. По цене EEPROM занимают среднее положение между OTPROM и EPROM. Технология программирования памяти EEPROM допускает побайтовое стирание и программирование ячеек. Несмотря на очевидные преимущества EEPROM, только в редких моделях МК такая память используется для хранения программ. Связано это с тем, что, во-первых, EEPROM имеют ограниченный объем памяти. Вовторых, почти одновременно с EEPROM появились Flash-ПЗУ, которые, при сходных потребительских характеристиках, имеют более низкую стоимость;
5.1.5. Flash-ROM
ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash — Flash-ROM. Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способе стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание производится отдельно для каждой ячейки, а во Flash-памяти стирать можно только целыми блоками. Если необходимо изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, потребуется перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующих схем по сравнению с EEPROM привело к тому, что МК с Flash-памятью становятся конкурентоспособными по отношению не только к МК с однократно программируемыми ПЗУ, но и с масочными ПЗУ также.
5.2. Память данных
Память данных МК выполняется, как правило, на основе статического ОЗУ. Термин «статическое» означает, что содержимое
ячеек ОЗУ сохраняется при снижении тактовой частоты МК до сколь
51
угодно малых значений (с целью снижения энергопотребления). Большинство МК имеют такой параметр, как «напряжение хранения информации» — USTANDBY. При снижении напряжения питания ниже минимально допустимого уровня UDD MIN, но выше уровня USTANDBY работа программы МК выполняться не будет, но информация в ОЗУ сохраняется. При восстановлении напряжения питания можно будет сбросить МК и продолжить выполнение программы без потери данных. Уровень напряжения хранения составляет обычно около 1 В, что позволяет в случае необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батареи) и сохранить в этом режиме данные ОЗУ.
Объем памяти данных МК, как правило, невелик и составляет обычно десятки и сотни байт. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке программ для МК. Так, при программировании МК константы, если возможно, не хранятся как переменные, а заносятся в ПЗУ программ. Максимально используются аппаратные возможности МК, в частности, таймеры. Прикладные программы должны ориентироваться на работу без использования больших массивов данных.
5.3.Энергонезависимая память
5.3.1.Микросхемы памяти FRAM
5.3.1.1. История создания
Появлению энергонезависимой памяти FRAM предшествовал ряд открытий. Начало было положено в далеком 1756 году, когда Франц Ульрих Теодор Эпинус - немецкий ученый, принявший российское подданство, открыл полярную электризацию турмалина при нагревании (пироэлектричество). Кристаллы турмалина
52
электролизуются при нагревании, трении, давлении, причем один конец кристалла заряжается положительно, другой — отрицательно.
В1881 году, французские физики братья Жак и Пьер Кюри открыли присутствие пьезоэлектричество в кристаллах (кварц, турмалин, топаз, борацит), а чуть позже электрическое расширение кварца. Температура, при которой исчезает спонтанная поляризация и происходит перестройка кристаллической решетки носит название точки Кюри, переход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик)
инеполярная (параэлектрик).
В20-х годах прошлого века Дж. Валашек в США, И.В.Курчатов со своими сотрудниками в СССР и Г.Буш в Швейцарии показали, что в некоторых ионных кристаллах электрическая поляризация может возникать в отсутствие внешнего электрического поля. Это физическое явление было обнаружено впервые в кристаллах сегнетовой соли (при температурах от –18 до +24oС) и назвали его сегнетоэлектричеством. В зарубежной литературе это явление называют ферроэлектричеством (по формальной аналогии с давно известным феноменом ферромагнетизма).
В1945 году Б.М. Вул и И.М. Гольдман открыли еще один сегнетоэлектрик - титанат бария (BaTiO3), в отличие от предыдущих сегнеэлектриков его свойства в точке Кюри меняются не плавно, а скачком. И наконец, переходя к современности, используя все известные свойства сегнеэлектриков и современные технологии в 1993 году компания Ramtron cоздает первое сегнетоэлектрическое ОЗУ пригодное для коммерческого использования.
53
Рис 5.1. Кристаллическая решетка BaTiO3
5.3.1.2. Принцип работы FRAM
Работа запоминающей ячейки FRAM основана на том, что внешнее электрическое поле перемещает центральный атом сегнетоэлектрического кристалла в одно из двух стабильных положений. Все это сопровождается спонтанной поляризацией, которая характеризуется петлей гистерезиса. Существуют два порога напряжения, при достижении которых можно изменить направление поляризации на противоположное. Если электрическое поле отведено от кристалла, то центральный атом остается в том же положении, определяя состояние памяти. Поэтому, FRAM не нуждается в регенерации, и после отключения питания сохраняет свое содержимое.
FRAM-технология совместима со стандартной промышленной технологией КМОП. Сегнетоэлектрическая тонкая пленка размещена над основными КМОП слоями и сжата между двумя электродами. Сама пленка создается на основе сплавов окислов металлов титана, циркония, свинца.
54
Рис 5.2 FRAM ячейка из двух транзисторов и двух конденсаторов
Первоначальная архитектура FRAM представляла два транзистора и два конденсатора (2T/2C), что приводило к относительно большим размерам ячейки памяти. Последующие улучшения сегнетоэлектрических материалов и технологии позволили избавиться от необходимости применения опорного конденсатора в каждой ячейки массива сегнетоэлектрической памяти.
Рис 5.2 FRAM ячейка на одном транзисторе и конденсаторе
Новая архитектура (один транзистор и один конденсатор) работает подобно DRAM. Один конденсатор используется в качестве общего опорного для каждого столбца массива памяти, позволяя в два раза уменьшить размер ячейки по сравнению с архитектурой 2T/2C. Кроме этого новая архитектура улучшает влияние кристалла и уменьшает стоимость FRAM-памяти. Кроме этого себестоимость ячеек FRAM памяти снижается за счет уменьшения шага технологичческой сетки. Переход на 0.35мкм технологию позволил снизить потребляемую мощность и увеличить размер матрицы по сравнению с предшествующими поколениями FRAM памяти,
55
выполненных по 0.5 мкм технологии. Ближайшая перспектива совершенствования архитектуры FRAM-памяти - использование архитектуры 1Т/1С, но с размещением сегнетоэлектрического конденсатора над транзистором. Это будет способствовать уменьшению размеру ячеек памяти и переходу на шаг технологической сетки до 0.1мкм. Возможно единственным недостатком этой технологии является ограниченный объем памяти, но нет сомнений, что и он будет преодолен.
Преимущества FRAM и сравнительные характеристики
•Информация при выключении питания не стирается
•Длительность циклов записи и чтения одинакова
•Не требуется цикл стирания заменяемых данных
•Меньшее энергопотребление
•Большой ресурс по записи, до 1016
•Типы корпусов соответствуют стандарту JEDEC
•Промышленные стандарты назначения выводов
•Лучшая устойчивость к внешним воздействиям
5.3.2. Микросхемы памяти MRAM
5.3.2.1. Принципы работы
В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор.
56
Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор, который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую землю микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления, электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока, можно определить сопротивление данной ячейки, и как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением — как «1».
Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае, каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле, которое воздействует на перезаписываемый слой. Такой же способ записи использовался в памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась в 1960-х годах. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах для которых важна малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем, придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера.
57
Другой подход, переключения режимов, использует многошаговую запись с модифицированной многослойной ячейкой. Ячейка модифицирована содержит в себе искусственный антиферромагнетик, где магнитная ориентация чередуется назад и вперёд через поверхность, с обоими прикреплённым и свободным слоями, составленными из многослойных стеков изолированных тонким «соединяющим слоем». Результирующие слои имеют только два стабильных состояния, которые могут быть переключены из одного в другое выбором времени тока записи в двух линиях так одна немного задерживается, таким образом «поворачивая» поле. Любое напряжение меньшее, чем полный уровень записи фактически увеличивает его сопротивление для переключения. Это значит, что ячейки расположенные вдоль одной из линий записи не будут подвержены эффекту непреднамеренного перемагничивания, позволяя использовать меньшие размеры ячеек.
Другими возможными путями развития технологии магниторезистивной памяти являются технология термического переключения (TAS-Thermal Assisted Switching) при которой во время процесса записи магнитный туннельный переход быстро нагревается (подобно PRAM) и в остальное время остается стабильным при более низкой температуре, а также технология вертикального транспорта
(VMRAM-vertical transport MRAM) в которой ток проходящий через вертикальный столбцы меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.
5.3.2.2. Сравнение с другими типами памяти
Плотность размещения элементов в микросхеме
58
Главным фактором, от которого зависит себестоимость производства микросхем памяти, это плотность размещения в ней отдельных ячеек. Чем меньше размер одной ячейки, тем большее их количество может быть размещено на одной микросхеме, и соответственно большее число микросхем может быть произведено за один раз из одной кремниевой пластины. Это улучшает выход годных изделий, и снижает стоимость производства микросхем.
Своей конструкцией ячейка памяти MRAM похожа на ячейку DRAM, хотя иногда в ней не используется транзистор для записи информации. Однако как упоминалось выше, память MRAM испытывает проблему полувыбора, из-за которой размер ячейки при использовании обычной технологии MRAM ограничен размером 180 нм и более. Большинство современных микросхем DRAM памяти имеют размер ячейки 90 нм.
Энергопотребление
Так как конденсаторы, используемые в микросхемах DRAM, со временем теряют свой заряд, микросхемы памяти, использующие их, должны периодически обновлять содержимое всех ячеек, считывая каждую ячейку и перезаписывая её содержимое. Это требует наличия постоянного источника питания, поэтому, как только питание компьютера отключается, память типа DRAM теряет всю хранимую информацию. Чем меньше размеры ячейки памяти, тем чаще необходимы циклы обновления, и в связи с этим энергопотребление растет.
В отличие от DRAM, MRAM не требует постоянного обновления. Это означает не только то, что память сохраняет записанную в нее информацию при отключенном питании, но и то что при отсутствии операций чтения или записи, энергия вообще не потребляется. Хотя теоретически при чтении информации память MRAM должна потреблять больше энергии, чем DRAM, на практике энергоёмкость
59
чтения у них почти одинаковая. Тем не менее, процесс записи требует от в 3—8 раз большей энергии чем при чтении, — эта энергия расходуется на изменение магнитного поля.
Можно сравнить магниторезистивную память с еще одним конкурирующим типом памяти, с флэш-памятью. Как и магниторезистивная память, флэш-память энергонезависима. При чтении информации, флэш-память и MRAM почти одинаковы по уровню энергопотребления. Однако для записи информации в микросхемах флэш-памяти, необходим мощный импульс напряжения (около 10 В), который накапливается определенное время при накачке заряда, — для этого требуется много энергии и времени. Кроме этого импульс тока физически разрушает ячейки флэш-памяти, и информация в флэш-память может быть записана ограниченное число раз, прежде чем ячейка памяти выйдет из строя.
В отличие от флэш-памяти, микросхемам MRAM для записи энергии требуется ненамного больше, чем для чтения. Но при этом не надо увеличивать напряжение и не требуется накачка заряда. Это ведёт к более быстрым операциям, меньшему энергопотреблению, и к отсутствию ограничения срока службы.
Быстродействие
Быстродействие памяти типа DRAM ограничено скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть слит (для чтения) или накоплен (для записи). Работа MRAM основана на измерении напряжений, что предпочтительнее, чем работа с токами, так как переходные процессы более быстрые. Преимущества по сравнению с Flash-памятью более значительные, — длительность чтения у них почти одинаковая, но длительность записи в MRAM в тысячи раз меньше.
Только одна современная технология памяти может конкурировать в быстродействии с магниторезистивной памятью. Это
60