8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства

Запоминающие устройства (ЗУ) – является важнейшим структурным звеном многих устройств, использующих цифровую (дискретную) информацию, определяющих возможную сложность программы работы, объем исходных и получаемых данных.

Современные полупроводниковые технологии позволяют создавать твердотельные (в интегральном исполнении) ЗУ, обладающие большим объемом памяти и высоким быстродействием.

Основные характеристики ЗУ: информационная емкость, быстродействие, время хранения информации, энергопотребление, надежность.

Информационная емкость определяется количеством информации в битах или байтах, которые ЗУ может хранить одновременно.

Быстродействие – это временной параметр. Измеряется временем цикла записи и чтения информации.

Энергопотребление определяется мощностью, потребляемой от источника питания в режиме записи, чтения и хранения информации.

ЗУ могут быть классифицированы по функциональному назначению, способу хранения информации, технологическому исполнению, способу обращения к массиву элементов памяти.

На рис. 8.2 приведена упрощенная схема классификации микросхем ЗУ.

Рис. 8.2. Упрощенная схема классификации микросхем ЗУ

По энергопотреблению ЗУ можно разделить на две группы:

• энергозависимые – мощность от источника питания потребляется во всех режимах работы ЗУ;

• энергонезависимые – записанная информация сохраняется и при отключенном источнике питания.

По функциональному назначению можно выделить следующие группы:

1. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ, или RAM). Обеспечивают запись, хранение, считывание информации во время ее обработки.

2. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ, или ROM). Предназначены для воспроизведения неизменной информации, записанной при изготовлении ЗУ.

3. Программируемые запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM). Имеют возможность один раз быть запрограммированы электрическим путем по заданной программе с использованием специальных устройств – программаторов.

4. Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ, или EPROM) с возможностью многократного электрического программирования.

РПЗУ бывают двух типов:

• РПЗУ-УФ или EPROM – с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью);

• РПЗУ-ЭС или EEPROM – с электрическим стиранием и записью.

К последним относится и флэш-память.

5. Запоминающее устройство может быть реализовано на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

По способу хранения информации ЗУ делятся на статические и динамические.

В статических ОЗУ роль запоминающего элемента (ЗЭ) выполняет триггерная структура. Статические ЗУ более сложные, но обладают высоким быстродействием.

В динамических ЗУ запоминающим элементом является конденсатор, заряжаемый или разряжаемый через ключ на МДП-транзисторе. По своей технологии динамические ОЗУ обладают большей плотностью упаковки, но сравнительно низким быстродействием. Кроме того, динамические ОЗУ требуют периодического восстановления (перезаписи) информации.

В основу изготовления ЗУ положены различные полупроводниковые технологии: биполярные структуры ТТЛ, ЭСЛ, И²Л, на основе полевых транзисторов Р-МОП, n-МОП, КМОП-структуры.

Лучшими характеристиками обладают РПЗУ-ЭС на основе МНОП-транзисторов (флэш-память).

На рис. 8.3 представлена типовая структурная схема полупроводникового запоминающего устройства, состоящая из следующих типовых узлов: матрицы накопителя (МН), дешифратора строк и столбцов (DCX, DCY), устройства записи, устройства считывания (УС), устройства управления (УУ). В зависимости от конкретного типа ЗУ ряд узлов могут отсутствовать.

Рис. 8.3. Структурная схема запоминающего устройства

Управляющие сигналы (CX – выбор микросхемы; SEX, SEY – строб; X, Y, WD/WR – запись/чтение) поступают в устройство управления и устройство записи и определяют режим работы ЗУ (запись, хранение, считывание информации). DCX, DCY – определяют запоминающие элементы, в которые записывается (или считывается) информация.

Основной составной частью ЗУ является матрица накопления. Существует два принципа организации накопителя.

1. Массив элементов памяти (ЭП), объединенный в матрицу накопителя. Элемент памяти может хранить один бит информации. Каждый элемент (ЭП) имеет свой адрес. Для обращения к ЭП необходимо его выбрать с помощью кода адреса, сигналы которого подводят к соответствующим выводам ЗУ. Запоминающее устройство, ОЗУ или ПЗУ, которое допускает обращение по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ). При такой организации матрицы нужен один вход и один выход. Такую организацию матрицы накопителя, при которой можно записывать или считывать один бит, называют одноразрядной.

2. Матрица состоит из ячеек памяти. В каждую ячейку входит n элементов памяти, т. е. каждая ячейка состоит из n-разрядов и образует «слово». Такую организацию матрицы накопителя называют «словарной». У таких ЗУ n-входов и n-выходов. Запись и считывание производится по «словам».

Принципы построения элементов памяти в ОЗУ и ПЗУ различные.

Как уже указывалось, в статических ОЗУ элементы памяти строятся на триггерах. Примером построения может служить ранее рассмотренный регистр хранения (§5.3). Схема элемента памяти динамического ОЗУ приведена на рис. 8.4. Информация хранится емкостью C_зи. В режиме записи импульс подается на шину строки (Ш2), а информация (U_с) – на шину столбца (Ш1). Транзистор открывается и емкость заряжается, если U_c= «1», или разряжается – при U_c=”0”. При считывании на Ш2 и вход считывания приходит 1, транзистор открывается, на шине столбца (Ш1) появляется информация, хранящаяся в емкости, и через элемент И передается на выход. В интегральных ОЗУ величина емкости C_зи порядка 0,1 пф, ток утечки – 10^–10 А, поэтому через 2 мс требуется восстановление заряда емкости и в таких ОЗУ вводятся устройства регенерации (на рис. не показаны).

Вкачестве элементов памяти ПЗУ (ROM) используются диоды, транзисторы разных типов. Запись информации осуществляется методом включения элемента в требуемое перекрытие матрицы с помощью сменной маски при изготовлении ПЗУ. На рис. 8.5 приведен фрагмент ЭП матрицы ПЗУ на диодах. АШ – адресные шины, РШ – разрядные шины. При считывании записанной информации на Аш подается «1». Там, где диод соединяет АШ с РШ, на последней появляется 1, где не соединяет – 0.

Аналогичным способом строятся и матрицы программируемых постоянных ЗУ. В них диоды к разрядным шинам подключаются через плавкие перемычки, которые при программировании пережигаются.

Отличительная особенность микросхем РПЗУ (или EPROM) заключается в их способности к многократному перепрограммированию самим пользователем. Это свойство микросхем обеспечено применением ЭП со свойствами управляемых перемычек. К таким элементам относятся полевые транзисторы n-МОП с двойным затвором и лавинной инжекцией заряда (ЛИЗМОП). Они положены в основу РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

В РПЗУЭС (или EEPROM) используются полевые транзисторы с плавающим затвором (МНОП). Принцип действия таких транзисторов рассмотрен в ч. I, гл. 4.13.

Промышленностью выпускаются ЗУ в виде микросхем, которые различаются технологией изготовления, информационной емкостью, быстродействием и т. д. В схемах устройств используются условные изображения ЗУ (см. рис. 8.6).

На рис. 8.6, а приведено статическое ОЗУ с одноразрядной организацией с тремя состояниями по выходу (); на рис. 8.6, б – статическое ЗУ со словарной организацией с выводами, используемыми для вывода и ввода информации; рис. 8.6, в – программируемое ЗУ со словарной организацией и открытым коллектором (); рис. 8.6, г – перепрограммируемое EPROM ЗУ со словарной организацией с ультрафиолетовым стиранием с тремя состояниями по выходу. На микросхемах ЗУ используются следующие обозначения выводов: A – адрес; CS – выбор; DIO – данные выход-вход; DO – выходные данные; ОV, U – напряжение питания; WR – запись; RD – считывание.

а	б
в	г
Рис. 8.5. Условное изображение микросхем ЗУ: а – К155РУ7; б – КМ132РУ9А; в – КР556РТ4; г – К573РФ5