2. Постоянные и полупостоянные запоминающие устройства

Постоянные и полупостоянные ЗУ используются в ЭВМ как долговременная память для хранения констант, программ BIOS, POST, конфигурации ЭВМ и параметров устройств. ПЗУ и ППЗУ (флэш-память) могут строиться по структуре 2D емкостью до нескольких десятков Кб по схеме [1], показанной на рис. 3.1. При подаче двоичного кода физического адреса <ФА (1,n)> на ША и сигнала чтения дешифратором адреса DCA возбуждается одна из адресных (горизонтальных) шинA_iс номеромi{1, 2,...,N}, равным адресу ячейки. ШинаA_i «подключает» элементы памяти Э_i1, Э_i2, ..., Э_iRк информационным (вертикальным) шинам массива {Э_i,j}. Еслиj‑й элемент памяти хранит «1», то он возбуждает вертикальную шину D_jи устанавливает в «1»j-й разряд информационного регистра RGИ (j) = 1. Если он хранит «0», тоj-й разряд RGИ обнуляется. С появлением сигнала чтенияW= 1 содержимое регистра передается на шину данных, т.е. выполняется микрооперация ШД (1,R) = RGИ (1,R).

RGИ

R

R

n

N

n

Э₁₁

Э₁₂

Э_1R1

Э₂₁

Э₂₂

Э_2R

Э_NR

Э_N2

Э_N1

n

W

Рис. 3.1. Схема ЗУ типа 2D

Режим чтения характерен для ПЗУ, элементы памяти которого не изменяют своего состояния в процессе эксплуатации и программируются один раз. Наиболее просто программирование можно осуществить распайкой диодов (рис. 3.2, а). Наличие диодаVD₁между шинамиA_iиD_jсоздает однонаправленную гальваническую связь отA_iкD_jи кодируется как «1» вj‑м разрядеi-й ячейки. Отсутствие диода (разрыв связи) программируется как «0». Недостатком способа ручной распайки является значительная трудоемкость «программирования», и поэтому он уже нигде не применяется.

Для автоматизации «прошивки» ПЗУ используются элементы памяти, показанные на рис. 3.2, б,в.

Эти элементы при изготовлении ИС имеются на всех пересечениях адресных и информационных шин. В процессе программирования на адресной шине A_i и информационных шинахD_jпоследовательно устанавливается такое напряжение, когда пробивается и закорачивается один из стабилитронов (состояние логической «1») или сгорает, образуя разрыв, плавкая перемычкаR_n(состояние «0»). Режим программирования путем пережигания плавких перемычек используется в ИС серии К 556 РТ, где, например, К 556 РТ5 имеет емкость 4096 бит с организациейNR= 5128 и временем выборки 70 нс.

а б в г

Рис. 3.2. Элементы памяти ПЗУ и ППЗУ: а – диодное ПЗУ, б – ПЗУ на стабилитронах, в – ПЗУ с плавкими перемычками, г – ПЗУ на транзисторах

с изолированным затвором

Отличие ИС ППЗУ от ПЗУ заключается в том, что они позволяют изменять в процессе эксплуатации состояния элементов памяти от нескольких десятков до нескольких тысяч раз, а в новых БИС от 100 тысяч до 1 млн циклов перезаписи. Программирование осуществляется занесением объемного заряда электронов (-) в область плавающего затвора диэлектрика, находящуюся около изолированного затвора ИЗ. Этот процесс можно пояснить с помощью рис. 3.2, г.

При подаче высокого напряжения Екp-nпереходу стока (С) либо истока (И) происходит инжекция электронов в область плавающего затвора. После снятия потенциалаЕэтот заряд из-за отсутствия проводимости в диэлектрике остается длительное время и притягивает дырки, создавая проводящим слой между И-С. При отсутствии заряда связи между И-С не будет. Если после программирования все стоки транзисторовVT₂подключить к нулевому потенциалу (), то с возбуждением шиныA_iтранзисторыVT₁откроются и передадут состояние (потенциал) истока транзисторовVT₂(при наличии заряда наD_jбудет «0», при отсутствии заряда – «1»).

Для повторного программирования ППЗУ стирание зарядов осуществляется либо электрически (ИС КР 558 РР), подачей высоких напряжений обратной полярности, либо ультрафиолетовым облучением диэлектрика ИС через кварцевую крышку в корпусе (ИС КР 573 РФ). Процесс электрического стирания вызывает значительный ток от утекания заряда из области плавающего затвора под действием повышенного обратного напряжения более 10 В. Чтобы кристалл не разогревался выше допустимой температуры, ток ограничивают уменьшая число одновременно стираемых ячеек. Основной причиной ограничения числа циклов перезаписи и уменьшения времени эксплуатации ППЗУ является аккумулируемый после каждой перезаписи износ плавающего затвора транзистора, который происходит от многократного воздействия повышенного напряжения более 10 В при стирании информации. При этом происходит нарушение оксидного слоя либо накопление электронов в плавающем затворе. Стирание информации выполняют в несколько циклов. При этом переходы И-С всех транзисторовVT₂становятся непроводящими и все ячейки содержат «1».

Перепрограммирование ИС ведется последовательно отдельно для каждой ячейки. Сначала передается ее адрес, затем передается код записываемых данных в RGИ (1, R). Затем возбуждается шина Ев разрядах, где кодируется «0», и пропускаются информационные разряды, где кодируются «1».

Так как накопление заряда идет медленно, запись осуществляется циклами. Длительность каждого цикла около 0.5 мс, число циклов (около 100) определяется необходимым временем занесения заряда в ИС. Принцип с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации используется в ИС КР 573 РФ2 емкостью 2 Кб (N  R = 20488 (бит)) с временем выборки 0.9 мкс, временем хранения заряда 10⁴час и возможностью до 10 раз перезаписи данных. Функционально ППЗУ (ПЗУ) представляет собой шифратор, который преобразует унитарный код с адресной шины в позиционный, подключаемый к информационной шине. В зависимости от способа объединения элементов памяти, показанных на рис. 3.2,г, шифратор может реализовываться на схемах И – НЕ или ИЛИ – НЕ (D_j=(А₁х_1jVА₂х_2jV...VА_Nx_Nj),j=1,R; гдех_ij– содержимоеj-го разряда,i‑й ячейки). Схемы ИЛИ – НЕ обеспечивают высокое быстродействие, но имеют меньшую емкость, чем ППЗУ на И – НЕ.