Схемотехника / Учебники и методички / potehin

место ЭП в накопителе ROM памяти занимают перемычки между шинами в виде пленочных проводников, диодов или транзисторов. Наличие перемычки соответствует 1, ее отсутствие – 0, либо наоборот, если выходы ИС инверсные.

Перепрограммируемая ROM память допускает неоднократное изменение своего содержимого. Перепрограммирование производят с помощью специально предусмотренных в структуре EPROM функциональных узлов. Элементом памяти в EPROM является полевой транзистор со структурой КМОП с плавающим затвором, так же называемый транзистором с лавинной инжекцией заряда. Основным свойством указанных транзисторов является то, что эти транзисторы под воздействием программирующего напряжения способны запасать электрический заряд под затвором. На этом свойстве и основана возможность программирования матрицы EPROM. Однако время программирования довольно значительное, что делает практически невозможным применения EPROM в качестве RAM памяти.

Для перепрограммирования такой RAM памяти необходимо предварительно стереть имеющуюся информацию. Эту операцию осуществляют поразному: в EEPROM стирание производит электрический сигнал, который вытесняет накопленный под затвором заряд; в EPROM эту функцию выполняет ультрафиолетовое излучение, которое облучает кристалл через специально предусмотренное в корпусе окно.

Основные функциональные характеристики микросхем памяти – информационная емкость, разрядность, быстродействие, потребляемая мощность.

Информационная емкость определяется числом одновременно хранящихся в накопителе единиц информации – бит. Для характеристики информационной емкости нередко используют более крупные единицы: байт, равный 8 битам, Кбит (К обозначает число равное 210, т. е. 1024 бит), Мбит (220 равное

1048576 бит или 1024 Кбит) и т. д.

Разрядность определяется количеством двоичных символов, т. е. разрядов, в запоминаемом слове. Под «словом» понимается совокупность 0 и 1: любая кодовая комбинация может быть названа «словом». Наибольшее распространение получила в ИС RAM памяти одноразрядная организация, при которой ИС имеет один информационных вход и один выход, и следовательно, допускает запись и считывание информации только по одному разряду. У микросхем ROM памяти организация многоразрядная, т. е. словарная, допускающая считывание информации в виде слова.

Быстродействие количественно характеризуется несколькими временными параметрами, среди которых можно выделить в качестве обобщающего параметра время цикла записи (считывания), отсчитываемое от момента поступления кода адреса до завершения всех процессов в ИС при записи (считывании) информации. В SRAM памяти время цикла считывания практически равно времени выборки адреса, которое определяется задержкой выходного сигнала относительно момента поступления кода адреса. В DRAM памяти время цикла считывания больше времени выборки адреса, так как после за-

261

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

вершения считывания необходимо некоторое время на установление функциональных узлов в исходное состояние. В систему временных параметров входят также длительность управляющих сигналов, их взаимный сдвиг, период повторения и период регенерации.

Потребляемая мощность может существенно различаться при хранении и при обращении, поэтому в таких случаях приводят два значения этого параметра.

7.2 Статическая память

Статическая память, или SRAM (Static RAM) является наиболее производительным типом памяти. Микросхемы SRAM применяются для кэширования оперативной памяти, в которой используются микросхемы динамической памяти, а также для кэширования данных в механических устройствах хранения информации, в блоках памяти видеоадаптеров и т. д. Фактически, микросхемы SRAM используются там, где необходимый объем памяти не очень велик, но высоки требования к быстродействию, а раз так, то оправдано использование дорогостоящих микросхем.

Ядро микросхемы SRAM памяти представляет собой совокупность триггеров - логических устройств, имеющих два устойчивых состояния, одно из которых условно соответствует логическому нулю, а другое - логической единице. Другими словами, каждый триггер хранит один бит информации, - ровно столько же, сколько и ячейка динамической памяти

Между тем, триггер статической оперативной памяти как минимум по двум позициям обыгрывает конденсатор DRAM памяти. Состояния триггера устойчивы и при наличии питания могут сохраняться бесконечно долго, в то время как конденсатор требует периодической регенерации. Триггер, обладая мизерной инертностью, без проблем работает на частотах вплоть до несколь-

ких ГГц, тогда как конденсаторы

«сваливаются» уже на 75-100 МГц. К недостаткам триггеров статической оперативной памяти следует

отнести их высокую стоимость и низ-

кую плотность хранения информа-

ции. Если для создания ячейки динамической памяти достаточного всего одного транзистора и одного конден-

сатора, то ячейка статической памяти

состоит как минимум из четырех, а в среднем шести - восьми транзисторов, поэтому мегабайт статической памяти оказывается в несколько раз дороже.

Типичная ячейка статической двоичной памяти на КМОП – технологии состоит из двух перекрёстно (кольцом) включённых инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке (рис. 7.1.). Часто для увеличе-

262

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

ния плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

Линия WL (Word Line) управляет двумя транзисторами доступа. Линии BL (Bit Line) — битовые линии, используются и для записи данных и для чтения данных.

При подаче «0» на линии BL параллельно включенные транзисторные пары (M5 и M1) и (M6 и M3) образуют логические схемы 2ИЛИ, последующая подача «1» на линию WL открывает транзистор M5 или M6, что приводит к соответствующему переключению триггера.

Чтение. При подаче «1» на линию WL открываются транзисторы M5 и M6, уровни записанные в триггере выставляются на линиях BL и попадают на схемы чтения.

Переключение триггеров через транзисторы доступа является неявной логической функцией приоритетного переключения, которая в явном виде, для двоичных триггеров, строится на двухвходовых логических элементах 2ИЛИНЕ или 2И-НЕ. Схема ячейки с явным переключением является обычным RSтриггером. При явной схеме переключения линии чтения и записи разделяются, отпадает нужда в транзисторах доступа в схеме записи-чтения с неявным приоритетом(по 2 транзистора на 1 ячейку), но появляется нужда в схемах за- писи-чтения с явным приоритетом.

Внастоящее время появилась усовершенствованная схема с обратной связью отключаемой сигналом записи, которая не требует транзисторов нагрузки и соответственно избавлена от высокого потребления энергии при записи.

SRAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объём памяти невелик (единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счёт отсутствия сложного контроллера динамической памяти).

Вустройствах с большим объёмом ОЗУ рабочая память выполняется как DRAM. SRAM память используется для регистров и кэш-памяти.

7.3.Динамическая память

DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произ-

вольным доступом) – тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

263

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Физически DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти (рис. 7.2.).

При отсутствии подачи электроэнергии к памяти этого типа происходит разряд конденсаторов, и память опустошается (обнуляется). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов ячеек и сохранения их содержимого, их необходимо периодически подзаряжать, прилагая к ним напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Такое динамическое поддержание заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Конденсаторы заряжают в случае, когда в «ячейку» записывается единичный бит, и разряжают в случае, когда в «ячейку» не-

Рис 7.2. Пример массива DRAM 4х4

обходимо записать нулевой бит.

264

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Важным элементом памяти этого типа является чувствительный усилитель-компаратор (англ. sense amp), подключенный к каждому из столбцов «прямоугольника». Он, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю строку целиком. Именно строка является минимальной порцией обмена с динамической памятью, поэтому обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

В отличие от быстрой, но дорогой статической памяти, которая является конструктивно более сложным и более дорогим типом памяти и используется в основном в кэш-памяти, медленная, но дешёвая память DRAM изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости, которые быстро теряют заряд, поэтому информацию приходится обновлять через определённые промежутки времени во избежание потерь данных. Этот процесс называется регенерацией памяти. Он реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате, на кристалле центрального процессора или же по сигналу регенерации строки в случае изготовления DRAM памяти на отдельном кристалле. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка ячеек, и через 8-64 мс обновляются все строки памяти.

Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно тормозит работу системы, поскольку в это время обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, в современных типах DRAM не применяется. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса – расширенный, пакетный, распределённый; наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

Базовым элементом DRAM памяти является строка, которые образуют страницу памяти в виде матрицы битовых ячеек памяти. В режиме хранения информации ключевой транзистор заперт. При выборке адресной линии строки (RAL – англ. Row address line) на затвор подается напряжение, отпирающее транзистор. Запоминающая емкость через проводящий канал подключается к адресной линии столбцов (CAL – англ. Column address line) и в зависимости от состояния емкости различно влияет на потенциал линии.

Подключенные линии столбцов к устройству ввода-вывода через усили- тель-компаратор передают информацию о состоянии конденсаторов в режиме чтения или же изменяют свой заряд под действием внешнего сигнала в режиме записи.

7.4. Перепрограммируемая память

Перепрограммируемая память или EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) – электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ (ЭСППЗУ), один из видов энергонезависимой памяти (таких как PROM и EPROM). Память такого типа может стираться и заполняться данными до миллиона раз.

265

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Принцип работы EEPROM основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры.

Затвор транзистора расположен в глубине диэлектрика на некотором удалении от всех контактов транзистора, что не позволяет электронам, обладающим маленькой энергией, попадать на него. Рядом с ним расположен управляющий затвор. Если к нему приложить высокое напряжение, то многие электроны приобретают настолько высокую энергию, что могут проходить сквозь диэлектрик и осаждаться на плавающем затворе (инжекция «горячих» электронов), и его заряд из нейтрального становится отрицательным. Электроны, попавшие на плавающий затвор, могут оставаться там в течение десятков лет, причем их количество не будет уменьшаться, если на транзистор не подается напряжение. Если же приложить к управляющему затвору напряжение противоположного знака, то электроны начинают с него стекать, тем самым разряжая его. Очевидно, что плавающий затвор в данном случае выполняет ту же роль, что и конденсатор в памяти DRAM — он хранит запрограммированную информацию. Таким образом, мы имеем два стационарных состояния транзистора: плавающий затвор или не имеет заряда, или заряжен отрицательно, соответственно, первое отвечает логическому нулю, а второе – единице.

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Основная особенность классической ячейки EEPROM – наличие второго транзистора, который помогает управлять режимами записи и стирания. Некоторые реализации выполнялись в виде одного трехзатворного полевого транзистора (один затвор плавающий и два обычных).

Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек. Соединение выполняется в виде двумерной матрицы, в которой на пересечении столбцов и строк находится одна ячейка.

266

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

7.5. Флэш-память

Предшественниками технологии флэш-памяти можно считать ультрафиолетово и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием большой напряженности электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки компонентов в матрице резко увеличивалась, если требовалось создать поле обратной напряженности для снятия электронов с плавающего затвора («стирания»). Поэтому и возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности с однократной записью, а в другом случае делали полнофункциональное устройство с гораздо меньшей емкостью. Соответственно усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания.

В схемах флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Понятно что это позволяет упростить схемы стирания тем самым способствует достижению высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости

Число циклов перепрограммирования для флэш-памяти хотя и велико, но ограничено. Одна из причин изнашивания ячеек – невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно – это неотъемлемое свойство технологии флэш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции заряда по референсной (эталонной) ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек рассогласовывается и в некоторый момент выходит за допустимые границы, которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. Понятно, что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Одно из следствий этого – с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.

Другая причина – взаимная диффузия атомов изолирующих и проводящих областей полупроводниковой структуры, ускоренная градиентом электрического поля в области кармана и периодическими электрическими пробоями изолятора при записи и стирании. Это приводит к размыванию границ и ухудшению качества изолятора, уменьшению времени хранения заряда.

Различают два направления в развитии флэш-памяти. Первый тип флэшпамяти строится на основе ячеек ИЛИ-НЕ (NOR). Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов – ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке. В такой конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора, подав положительное напряжение на один столбец и одну строку. Технология NOR позволяет получить

267

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика, что существенно увеличивает её стоимость.

Второй тип флэш-памяти строится на основе ячеек И-НЕ (NAND). Конструкция NAND – трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется.

Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (англ. single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (англ. multi-level cell, MLC). MLC-приборы дешевле и более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим временем доступа и меньшим максимальным количеством перезаписей. Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита), память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC, с 16 уровнями (4 бита) – 16LC.

Стирание, запись и чтение флэш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше чем блок записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно, это – характерный отличительный признак флэш-памяти по отношению к классической памяти EEPROM. Как следствие – все микросхемы флэш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую структуру. Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.

Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в сотни кбайт, размер страницы записи и чтения 4 кбайт. Для NOR микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен кбайт, размер сектора записи – до сотен байт, страницы чтения – единицы-десятки байт.

Стремление достичь предельных значений емкости для NAND-устройств привело к «стандартизации брака» – праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без гарантии непоявления новых «bad-блоков» в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных, каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком, в котором записывается контрольная сумма, информация для восстановления при одиночных битовых ошибках, информация о сбойных элементах на этой странице и количестве записей на эту страницу.

Сложность алгоритмов чтения и допустимость наличия некоторого количества бракованных ячеек вынудило разработчиков оснастить NANDмикросхемы памяти специфическим командным интерфейсом. Это означает, что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страни-

268

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

цы памяти в специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить целостность данных и, при необходимости, попытаться восстановить их.

Для упрощения применения микросхем флэш-памяти NAND-типа они используются совместно со специальными микросхемами – NANDконтроллерами. Эти контроллеры должны выполнять всю черновую работу по обслуживанию NAND-памяти: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализация адресации (с целью обхода сбойных ячеек), проверка и восстановление данных при чтении, забота о разном размере блоков стирания и записи, забота о периодическом обновлении записанных блоков, равномерное распределение нагрузки на секторы при записи.

Однако задача равномерного распределения износа не обязательна, что зачастую приводит к экономии в дешевых изделиях. Такие флэш-карты памяти и USB-брелки быстро выйдут из строя при частой перезаписи. На дорогие NAND-контроллеры также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флэш-памяти путем распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при этом сильно уменьшается.

Не останавливаются попытки создать запоминающее устойство на совершенно новых принципах построения. Одним из таких примеров служит Nano-RAM – это технология компьютерной памяти от компании Nantero. По сути это тип энергонезависимой памяти, основывающийся на механическом позиционировании углеродных нанотрубок, размещенных на чипообразной подложке. В теории небольшой размер нанотрубок позволит достичь весьма высокой плотности размещения памяти. NRAM обладает плотностью, по крайней мере в теории, сходной с DRAM. DRAM состоит из некоторого числа конденсаторов, представляющие собой по сути две небольших металлических пластины с тонким слоем диэлектрика между ними. NRAM в этом схожа, обладая клеммами и электродами приблизительно такого же размера, что и пластины в DRAM, а нанотрубки между ними существенно меньших размеров, поэтому их размер никак не влияет на общий размер ячейки. Однако, существует минимальный размер, при котором можно создавать DRAM-чипы, ниже которого просто не будет хватать заряда, который ячейка сможет сохранить для чтения. NRAM судя по всему ограничен лишь современными техническими достижениями в литографии. Это означает, что NRAM может достичь большей плотности по сравнению с DRAM.

269

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Глава 8

Введение в микропроцессорную технику

8.1. Введение

Микропроцессорная техника для современного человека стала неотъемлемым элементом его жизни. Невозможно представить ни одной сферы его деятельности, где не использовались микропроцессоры и микроконтроллеры.

Микропроцессорные устройства, имеющие малые габариты, экономные по питанию, работающие с огромным быстродействием позволяют изменить в лучшую сторону многие сферы человеческой жизни: ускорить научные исследования, автоматизировать производственные процессы, увеличить производительность труда. Для микропроцессорных систем характерна высокая гибкость и возможность перенастройки для решения текущих задач при изменении алгоритма работы. Причем перепрограммирование осуществляется без существенных производственных затрат, что позволяет легко реализовать принципы открытых систем, функциональные возможности которых можно наращивать по мере необходимости. Таким образом, обеспечивается соответствие технического уровня микропроцессорных систем управления самым современным требованиям в течение длительного времени. Универсальность микропроцессорных систем и сравнительная дешевизна обеспечивает их доступность широкому кругу потребителей.

В настоящее время микропроцессоры (МП) производятся большим числом крупных компаний и небольших фирм. На их основе создаются современные компьютеры и сложные радиотехнические системы, устройства связи и «умная» бытовая техника. Современный компьютер может обрабатывать, числовую, текстовую, графическую и звуковую информацию. Информация для обработки должна быть представлена в виде воспринимаемой компьютером. Однако одним из узких мест взаимодействия человека с микропроцессорной техникой остается ввод и вывод информации (рис. 8.1).

П Р О Ц Е С С О Р

Рис. 8.1. Структурная схема преобразования информации в процессорной системе

Информация вводится, чаще всего с низкочастотных датчиков и устройств управления, с клавиатуры компьютера, что резко снижает общее быстродействия системы.

270

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)