Лекция 33
Постоянные запоминающие устройства
Цель лекции:
изучить: принципы построения и разновидности постоянных
запоминающих устройств; их классификацию.
План лекции:
1.Общая характеристика цифровых постоянных запоминающих устройств.
2.Програмируемые при изготовлении ПЗУ.
3.ППЗУ с однократным программированием.
4.Перепрограммируемые РПЗУ.
5.Флэш-память.
Все ПЗУ можно разделить на следующие группы:
программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM);
с однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние матрицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначают как ППЗУ или PROM);
перепрограммируемые (репрограммируемые), с возможностью многократного электрического перепрограммирования, с ультрафиолетовым
(обозначают как РПЗУУФ или EPROM) или электрическим (обозначают как РПЗУЭС или EEPROM, или E2PROM) стиранием информации.
Програмируемые ПЗУ.
В запоминающие устройства, программируемые при изготовлении
(ПЗУ или ROM), информация записывается непосредственно в процессе их изготовления с помощью фотошаблона, называемого маской, на
завершающем этапе технологического процесса.
Такие ПЗУ называются масочными ПЗУ, они могут быть построены на диодах, биполярных или МОП-транзисторах.
Фрагменты схемы матрицы масочных ПЗУ на биполярных транзисторах приведены на рис. 1
Если соединительный транзистор в данных схемах выполнен полностью (без разрыва), то при подаче на соответствующую строку сигнала активного уровня этот транзистор открывается и на столбце, к которому он подключей, появляется логический 0.
Если транзистор не подключен к соответствующему столбцу, то активизация соответствующей строки ие приводит к закорачиванию столбца я на нем остается логическая 1.
Рис. 1. Фрагменты схемы матрицы масочных ПЗУ на биполярных транзисторах
К масочным ПЗУ относят микросхемы серий 155, 568, 1656, 541, 555,1656,1801 и др., выполненные по технологии ТТЛ, ТТЛШ, n-МОП,
КМОП.
Для обозначения данного вида ПЗУ после номера серии помещают две буквы РЕ. Так, микросхемы К555РЕ21 и К155РЕ22 предназначены для
воспроизведения соответственно букв русского (за исключением буквы Ъ) и
латинского алфавитов, а также некоторых знаков.
Програмируемые ПЗУ
В ППЗУ накопитель часто построен на запоминающих ячейках с плавкими перемычками, изготовленными из нихрома или других тугоплавких материалов.
Процесс записи состоит в избирательном пережигании плавких перемычек.
Фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ с плавкими перемычками приведен на рис. 2.
Пропуская импульсы тока между соответствующими строками и столбцами матрицы, такие ЗУ можно программировать, расплавляя те или иные перемычки. На рис.2. часть перемычек показаны уже разрушенными.
Рис.2. Фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ с плавкими перемычками
Разрушая соответствующие перемычки» осуществляют программирование таких ППЗУ
Фрагмент схемы матрицы ППЗУ еще одного типа приведен на рис. 3
Здесь запоминающий элемент представляет собой два встречно включенных диода и сопротивление такой цепочки изначально велико в отличие от цепей с плавкими перемычками. В исходном состоянии запоминающий элемент хранит логический 0, а не 1, как в ППЗУ с плавкими перемычками. Программирование (запись 1) осуществляют приложением между соответствующими строками и столбцами повышенного напряжения,
что приводит к пробою диода, смещенного в обратном направлении, с
образованием в нем короткого замыкания.
Рис. 3. Фрагмент схемы матрицы ППЗУ
Образовавшееся короткое замыкание играет роль проводящей перемычки.
ППЗУ выпускаются в составе серий микросхем 155,541, 565, 1608.
В обозначениях таких ЗУ используют буквы РТ.
Так, например, микросхема К541РТ1 выполнена по ТТЛШ-технологии с открытым коллекторным выходом и имеет организацию 256 х 4.
Перепрограмируемые ПЗУ.
В РПЗУ запоминающие ячейки строятся на основе МОП-технологий.
Используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя различными диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.
В первом случае диэлектрик под затвором МОП-транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния (SiN4 — Si02). Было обнаружено, что в сложной структуре SiN4 — Si02 при изменении электрического напряжения возникает гистерезис заряда на границе раздела двух слоев, что и позволяет создавать запоминающие ячейки.
Такие транзисторы называют МНОП-транзисторами в соответствии с их структурой: металл-нитрид кремния- окисел-полупроводник.
Запись информации в ячейки на МНОП-транзисторах осуществляется подачей относительно высоких напряжений (около 20 В), а перед записью осуществляется электрическое стирание старой информации (запись 0 во все запоминающие элементы).
Таким образом, ЗУ на МНОП-транзисторах — это РПЗУ ЭС или
EPROM. Они позволяют осуществлять 104 — 106 перезаписей,
энергонезависимы и могут хранить информацию годами.
В обозначении микросхем с электрическим стиранием после номера серии указывают две буквы PP. Так, микросхема К1601РР1 выполнена на основе р-МНОП -транзисторов, по входу и выходу совместима с ТТЛ-
структурами, имеет выходы с тремя состояниями и организацию 1K x 4.
Время хранения информации 500 часов.
Во втором случае основой запоминающей ячейки является лавинно-
инжекционный МОП-транзистор с плавающим затвором (ЛИЗМОП-
транзисторы). Упрощенная структура такого транзистора приведена на рис. 4.
В лавинно-инжекционном транзисторе с плавающим затвором при достаточно большом напряжении на стоке происходит обратимый лавинный пробой диэлектрика, и в область плавающего затвора инжектируются носители заряда. Поскольку плавающий затвор окружен диэлектриком, то
ток утечки мал и хранение информации обеспечивается в течение длительного промежутка времени (десятки лет).
Рис. 4. Упрощенная структура ячейки лавинно-инжекционный МОП-
транзистор с плавающим затвором
При подаче напряжения на основной затвор происходит рассасывание заряда за счет туннельного эффекта, т. е. стирание информации.
С использованием ЛИЗМОП-транзисторов строятся РПЗУ как с
ультрафиолетовым (EPROM), так и электрическим (E2PROM) стиранием информации.
В ЗУ с ультрафиолетовым стиранием в корпусе микросхемы имеется специальное прозрачное окошко для облучения кристалла, причем информация стирается во всем кристалле.
При электрическом стирании информацию можно стирать не со всего кристалла, а выборочно.
Кроме того, длительность электрического стирания значительно меньше, чем ультрафиолетового, а число циклов перезаписи значительно больше.
Поэтому ЗУ с электрическим стиранием информации вытесняют ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.
В обозначении микросхем с ультрафиолетовым стиранием после трех цифр серии указывают две буквы РФ.
РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации серии 573
выполнены на основе ЛИЗМОП-транзисторов, по входу и по выходу совместимы с ТТЛ-структурами.
Приведем некоторые характеристики ПЗУ.
|
Тип ПЗУ |
Быст |
Потре |
Информа |
|
|
родействие, |
бляемая |
ционная |
ПЗУ |
и ППЗУ на |
15- |
0,01- |
<64 |
|
|
|
|
|
ПЗУ |
и ППЗУ на МОП- |
70- |
0,01- |
<256 |
|
|
|
|
|
РПЗУ |
50- |
<0,1 |
<256 |
|
|
|
|
|
|
Промышленность выпускает большое количество типов микросхем
ПЗУ.
Укажем в качестве примера две микросхемы ПЗУ (рис. 5).
На схемах использованы следующие обозначения: Аi —
адресные входы;
Di — информационные выходы;
CS — выбор микросхемы;
СЕ — разрешение выхода
Рис. 5. Пример микросхем ПЗУ
Микросхема К573РФ5 — это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУУФ) с
ультрафиолетовым стиранием, имеющее структуру 2К х 8. По входу и
выходу эта микросхема совместима с ТТЛ-структурами. Время хранения информации — 50 тыс. часов.
Микросхема К556РТ5 — это однократно программируемая ПЗУ,
выполнена на основе ТТЛШ-структур, по входу и выходу совместима с ТТЛ-
структурами, имеющая структуру 512 битх 8.
Флэш-память
По основным принципам работы и типу запоминающих элементов Флэш-память (Flash-Memory) подобна ППЗУ с электрической записью и стиранием информации. Флэш-память имеет ряд особенностей, что и позволяет выделить ее в отдельный класс. В ней осуществляется стирание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдельных слов (Flash-вспышка, мгновение).
Флэш-память предназначена для хранения редко обновляемой информации и замены памяти на магнитных дисках (жесткий диск) в
портативных компьютерах.
Матрица запоминающих элементов Флэш-памяти, потроенная на ЛИЗМОП-транзисторах с их параллельным включением, обеспечивает режим быстрого произвольного доступа и используется для построения памяти хранения редко обновляемой информации.
Так, фирма Intel разработала Флэш-память, которая допускает до 105
Циклов стирания, причем время стирания и время программирования всей памяти составляет 0,6— 4 с для памяти емкостью 256 Кбит—2 Мбит, а время доступа при чтении составляет примерно 100 нc.
Для замены файлов на магнитных дисках разработана файловая Флэш-
память (Flash-File-Memory), в которой накопитель (матрица запоминающих элементов) делится на блоки, являющиеся аналогами секторов магнитных дисков.
Так, файловая Флэш-память фирмы Intel имеет информационную емкость до 32 Мбит (организация 2М х 16 или 4М х 8) при времени доступа
70—150 нc и допускает до 106 циклов стирания на блок.