Все постоянные запоминающие устройства (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 электрическим или ультрафиолетовым стиранием информации (обозначают как РПЗУ или RPROM).
Для обеспечения возможности объединения по выходу при наращивании памяти все ПЗУ имеют выходы с тремя состояниями или открытые коллекторные выходы.
{xtypo_quote}В ППЗУ накопитель построен на запоминающих ячейках с плавкими перемычками, изготовленными из нихрома или других тугоплавких материалов. Процесс записи состоит в избирательном пережигании плавких перемычек. {/xtypo_quote}
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 (SiN 4 — SiO 2). Было обнаружено, что в сложной структуре SiN 4 — SiO 2 при изменении электрического напряжения возникает гистерезис заряда на границе раздела двух слоев, что и позволяет создавать запоминающие ячейки.
Во втором случае основой запоминающей ячейки является лавинно-инжекционный МОП-транзистор с плавающим затвором (ЛИПЗ МОП). Упрощенная структура такого транзистора приведена на рис. 3.77.
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). При подаче напряжения на основной затвор происходит рассасывание заряда за счет туннельного эффекта, т.е. стирание информации.
Приведем некоторые характеристики ПЗУ (табл. 3.1). 
Промышленность выпускает большое количество микросхем ПЗУ. Приведем в качестве примера две микросхемы ПЗУ (рис. 3.78).
На схемах использованы следующие обозначения: A i — адресные входы; D i — информационные выходы; CS — выбор микросхемы; СЕ — разрешение выхода.
Микросхема К573РФ5 — это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее структуру 2Кх8. По входу и выходу эта микросхема совместима с ТТЛ-структурами. Микросхема К556РТ5 — это однократно программируемая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-структур, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 512бит х8.
Постоянная память (Постоянное запоминающее устройство - ПЗУ)
(Read Only Memory - ROM)
Постоянная память (ПЗУ, англ.ROM, Read Only Memory - память только для чтения) - энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, программы тестирования устройств.
Важнейшая микросхема ПЗУ - модуль BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.
Роль BIOS двоякая - с одной стороны - это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны - важный модуль любой операционной системы.
Итак, ПЗУ постоянно хранит информацию, которая записывается туда при изготовлении компьютера.
! Энергонезависимая память . При отключении питания содержимое ПЗУ не стирается.
В ПЗУ находятся:
- тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы устройст;
- программы управления основными периферийными устройствами (дисководом, монитором, клавиатурой);
- программа начальной загрузки, которая осуществляет поиск загрузчика операционной системы на внешнем носителе. Современные BIOS позволяют загружать операционную систему не только с магнитных и оптических дисков, но и с USB флэш-дисков.
ПЗУ – память, информация в которой, будучи однажды записанной, изменению не подлежит. Например, программа загрузки в ОЗУ микропроцессорной системы информации из внешней памяти. Все типы ПЗУ используют один и тот же принцип построения схемы. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединения между шинами адреса и данных.
Условное графическое обозначение ПЗУ представлено на рис.26.10.
Рис.26.10. Условное графическое обозначение ПЗУ
Рис. 26.11. Схема ПЗУ
На рис. 26.11 приведена схема простейшего ПЗУ. Для реализации ПЗУ достаточно использовать дешифратор, диоды, набор резисторов и шинные формирователи. Рассматриваемое ПЗУ содержит разрядных слова, т.е. его общий объем составляет 32 бит. Количество столбцов определяет разрядность слова, а количество строк – количество 8 разрядных слов. Диоды устанавливаются в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического «0» (дешифратор подает 0 на выбранную строку). В настоящее время вместо диодов ставят МОП-транзисторы.
В табл. 26.1 приведено состояние ПЗУ, схема которого приведена на рис. 26.11.
Таблица 26.1
Состояние простого ПЗУ
| Слово | Двоичное представление | ||||||||
| А0 | А1 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 |
Как правило, ПЗУ имеют многоразрядную организацию со структурой 2DM . Технологии изготовления самые разнообразные – КМОП, n-МОП, ТТЛ(Ш) и диодные матрицы.
Все ПЗУ можно разделить на следующие группы: программируемые при изготовлении (масочные), с однократным программированием и перепрограммируемые.
В запоминающих устройствах, программируемых при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывается непосредственно в процессе их изготовления с помощью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса. Такие ПЗУ называемые масочными, построены на диодах, биполярных или МОП транзисторах.
Область использования масочных ПЗУ – хранение стандартной информации, например знакогенераторы (коды букв латинского и русского алфавита), таблицы типовых функций (синусы, квадратичные функции), стандартное программное обеспечение.
Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM ) – ПЗУ с возможностью однократного электрического программирования. Этот вид памяти позволяет пользователю однократно запрограммировать микросхему памяти с помощью программаторов.
Микросхемы ППЗУ построены на запоминающих ячейках с плавкими перемычками. Процесс программирование заключается в избирательном пережигании плавких перемычек с помощью импульсов тока достаточной амплитуды и длительности. Плавкие перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов.
На рис. 26.12 приведена схема ППЗУ с плавкими перемычками. Оно изготавливается со всеми диодами и перемычками, т.е. в матрице все «0», а при программировании пережигаются те перемычки, в ячейках которых должны быть логические «1».
Рис. 26.12. Фрагмент схемы ППЗУ
Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ и РПЗУ УФ) – ПЗУ с возможностью многократного электрического программирования. В ИС РПЗУ УФ (EPROM ) старая информация стирается с помощью ультрафиолетовых лучей, для чего в корпусе микросхемы имеется прозрачное окошко; в РПЗУ (EEPROM ) – с помощью электрических сигналов.
Запоминающие ячейки РПЗУ строятся на n -МОП или КМОП транзисторах. Для построения ЗЭ используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.
В первом варианте диэлектрик под затвором МОП транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния. Этот транзистор называется МНОП: металл – нитрид кремния – окисел – полупроводник. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата зарядов. Благодаря туннельному эффекту носители заряда могут проходить сквозь тонкую пленку окисла и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд, являющийся носителем информации, хранимой МНОП-транзистором, приводит к изменению порогового напряжения транзистора. При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочее напряжение на затворе транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует, легко открывается. Одно из состояний определено как логическая единица, второе – ноль.
Во втором варианте затвор МОП транзистора делают плавающим, т.е. не связанным с другими элементами схемы. Такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения. В результате заряд на плавающем затворе влияет на ток стока, что используется при считывании информации, как и в предыдущем варианте с МНОП транзистором. Такие транзисторы получили название ЛИЗМОП (МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда). Так как затвор транзистора окружен изолятором, ток утечки очень мал и информация может храниться достаточно долго (десятки лет).
В РПЗУ с электрическим стиранием над плавающим затвором транзистора размещают второй – управляющий затвор. Подача напряжения на него вызывает рассасывание заряда на плавающем затворе за счет туннельного эффекта. РПЗУ имеют весомые преимущества перед РПЗУ УФ, так как не требуют для перепрограммирования специальных источников ультрафиолетового света. ЗУ с электрическим стиранием практически вытеснили ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.
Фрагмент схемы РПЗУ с использованием двухзатворных транзисторов типа ЛИЗМОП показан на рис. 26.13. Запись логического нуля осуществляется в режиме программирования с помощью заряда плавающего затвора. Стирание информации, т.е. разряд плавающего затвора, означает запись логической единицы. В этом случае при подаче сигнала по линии выборки опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение U ПИТ на линии считывания.
Современные РПЗУ имеют информационную емкость до 4 Мбит при тактовой частоте до 80 МГц.
26.5. Flash -память
Основные принципы работы и тип запоминающих элементов Flash -памяти аналогичны ППЗУ с электрической записью и стиранием информации, построенной на транзисторах с плавающим затвором. Как правило, благодаря своим особенностям, Flash -память выделяют в отдельный класс. В ней производится стирание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдельных слов. Это позволяет исключить схемы управления записью и стиранием отдельных байтов, что дает возможность значительно упростить схему ЗУ и достичь высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости.
Рис.26.13. Фрагмент схемы РПЗУ
Современные тенденции развития электронных приборов требуют постоянного увеличения объема используемой памяти. На сегодня инженеру доступны микросхемы как энергозависимой памяти типа DRAM , которую характеризуют предельно низкая цена за бит и большие уровни интеграции, так и энергонезависимой Flash -памяти, себестоимость которой постоянно снижается и стремится к уровню DRAM .
Потребность в энергонезависимой Flash -памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе Flash -памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в Flash -памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, Flash -память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.
В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И-НЕ). Структура NOR (рис. 26.14, а) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис. 26.14, б) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.
Рис.26.14. Структуры на основе NOR (a) и NAND (б)
В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR . Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-Flash лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-Flash ниже, чем в других технологиях Flash -памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.
Более детально особенности микросхем Flash -памяти можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY 27xx(08/16)1G 1M фирмы Hynix . На рис. 26.15 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов.
Микросхема имеет следующие выводы:
I/O 8-15 – вход/выход данных для х16 устройств
I/O 0-7 – вход/выход данных, адресный вход или вход команд для х8 и х16 устройств;
ALE – включение адресной защелки;
CLE – включение защелки команд;
– выбор кристалла;
– разрешение чтения;
– чтение/занят (выход с открытым стоком);
– разрешение записи;
– защита от записи
V CC – напряжение питания;
V SS – общий вывод.
Рис.26.15. Схема внешних выводов (а), назначение выводов (б) и структурная схема (в) Flash -памяти
Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read ). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.
Рис.26.16. Организация массива памяти NАND -структуры
Массив памяти NAND -структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис. 26.16).
Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC ), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block ) основной области. В 8-битных устройствах страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В 16-ти битных устройствах страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.
Память на основе ячеек NOR имеет сравнительно большие времена стирания и записи, но обладает доступом к каждому биту на чтение. Данное обстоятельство позволяет применять такие микросхемы для записи и хранения программного кода, который не требует частого перезаписывания. Такими применениями могут быть, например, BIOS для встраиваемых компьютеров или ПО для телевизионных приставок.
Свойства NAND-Flash определили область ее применения: карты памяти и иные устройства хранения данных. Сейчас данный тип памяти применяется почти повсеместно в мобильных устройствах, фото- и видеокамерах и т.д. NAND-Flash лежит в основе практически всех типов карт памяти: SmartMedia , MMC , SecureDigital, MemoryStick
Достигнутая в настоящее время информационная емкость Flash -памяти достигает 8ГБит, типовая совокупная скорость программирования и стирания составляет до 33.6 мС / 64 кБ при тактовой частоте до 70 МГц.
Двумя основными направлениями эффективного использования Flash -памяти являются хранение редко изменяемых данных и замена памяти на магнитных дисках. Для первого направления используется Flash -память с адресным доступом, а для второго – файловая память.
26.6. ОЗУ типа FRAM
FRAM – оперативное энергонезависимое ЗУ, сочетающее высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, присущие ОЗУ, со свойством хранения данных при отсутствии приложенного напряжения.
В сравнении с EEPROM и Flash -памятью время записи данных в ЗУ этого типа и потребляемая мощность намного меньше (менее 70 нс против нескольких миллисекунд), а ресурс по циклам записи намного выше (не менее 10 11 против 10 5 …10 6 циклов для EEPROM ).
FRAM должна стать в ближайшем будущем самой популярной памятью в цифровых устройствах. FRAM будет отличаться не только быстродействием на уровне DRAM , но и возможностью сохранять данные при отключении энергии. Словом, FRAM может вытеснить не только медленную Flash , но и обычную ОЗУ типа DRAM . Сегодня ферроэлектрическая память находит ограниченное применение, к примеру, в RFID -тэгах. Ведущие компании, в числе которых Ramtron, Samsung, NEC, Toshiba , активно развивают FRAM . Примерно к 2015 году на рынок должны поступить n -гигабайтные модули FRAM .
Указанные свойства FRAM обеспечивает сегнетоэлектрик (перовскит), используемый в качестве диэлектрика накопительного конденсатора ячейки памяти. При этом сегнетоэлектрическое ЗУ хранит данные не только в виде заряда конденсатора (как в традиционных ОЗУ), но и виде электрической поляризации кристаллической структуры сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрический кристалл имеет два состояния, которые могут соответствовать логическим 0 и 1.
Термин FRAM еще не устоялся. Первые FRAM получили название – ферродинамические ОЗУ. Однако в настоящее время в качестве запоминающих ячеек используется сегнетоэлектрик и сейчас FRAM часто называют сегнетоэлектрическим ОЗУ.
Первые FRAM имели 2Т /2С -архитектуру (рис.26.17, а), на основе которой выполняется и большинство современных микросхем сегнетоэлектрической памяти. Ячейка такого типа, в которой каждому биту соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определить разницу зарядов с высокой точностью. А благодаря считыванию дифференциального сигнала исключается влияние разброса параметров конденсаторов ячеек. Позже появились FRAM с архитектурой 1Т /1С (рис.26.17, б). Достоинство микросхем с такой архитектурой – меньшая, чем в обычных схемах площадь ячейки и, следовательно, меньшая стоимость микросхемы в пересчете на единицу информационной емкости.
На рис.26.18 приведена структурная схема сегнетоэлектрического ОЗУ (FRAM ) объемом 1 Мбит и параллельным интерфейсом доступа FM 20L 08 фирмы Ramtron . В таблице 26.1. показаны выводы микросхемы.
FM 20L 08 – энергонезависимая память с организацией 128К×8, которая считывается и записывается подобно стандартному статическому ОЗУ. Сохранность данных обеспечивается в течение 10 лет, при этом, нет необходимости задумываться о надежности хранения данных (неограниченная износостойкость), упрощается проектирование системы и исключается ряд недостатков альтернативного решения энергонезависимой памяти на основе статического ОЗУ с резервным батарейным питанием. Быстрота записи и неограниченное количество циклов перезаписи делают FRAM лидером по отношению к другим типам энергонезависимой памяти.
Рис.26.17. Ячейка памяти типа 2Т /2С (а) и 1Т /1С (б)
Рис.26.18. Структурная схема FRAM FM 20L 08
Компьютеры и любая электроника - сложные устройства, принципы работы которых не всегда понятны большинству обывателей. Что такое ПЗУ и зачем устройство необходимо? Большинство людей не смогут дать ответ на этот вопрос. Попробуем исправить это недоразумение.
Что такое ПЗУ?
Чем они являются и где используются? Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) представляют собой энергонезависимую память. Технологически они реализованы как микросхема. Одновременно мы узнали, какова аббревиатуры ПЗУ расшифровка. Предназначены устройства для хранения информации, введённой пользователем, и установленных программ. В постоянном запоминающем устройстве можно найти документы, мелодии, картинки - т.е. всё, что должно храниться на протяжении месяцев или даже лет. Объемы памяти, в зависимости от используемого устройства, могут меняться от нескольких килобайт (на простейших устройствах, имеющих один кристалл кремния, примером которых являются микроконтроллеры) до терабайтов. Чем больше объем ПЗУ - тем больше объектов может быть сохранено. Объем прямо пропорционален количеству данных. Если уплотнить ответ на вопрос, что такое ПЗУ, следует ответить: это которое не зависит от постоянного напряжения.
Жесткие диски как основные постоянные запоминающие устройства
На вопрос, что такое ПЗУ, уже дан ответ. Теперь следует поговорить о том, какие они бывают. Основным постоянным запоминающим устройством являются жесткие диски. Они есть в каждом современном компьютере. Используются они благодаря своим широким возможностям накопления информации. Но при этом существует ряд ПЗУ, которые используют мультиплексоры начальные загрузчики и прочие подобные электронные механизмы). При детальном изучении будет нужно не только понимать значение ПЗУ. Расшифровка других терминов тоже необходима, для того, чтобы вникнуть в тему.
Расширение и дополнение возможностей ПЗУ благодаря флеш-технологиям
Если стандартного пользователю не хватает, то можно воспользоваться дополнительным расширением возможностей предоставленного ПЗУ в сфере хранения данных. Осуществляется это посредством современных технологий, реализованных в картах памяти и USB-флеш-накопителях. В их основе лежит принцип многоразового использования. Другими словами, данные на них можно стирать и записывать десятки и сотни тысяч раз.
Из чего состоит постоянное запоминающее устройство
В составе ПЗУ находится две части, которые обозначаются как ПЗУ-А (для хранения программ) и ПЗУ-Э (для выдачи программ). Постоянное запоминающее устройство типа А является диодно-трансформаторной матрицей, которая прошивается с помощью адресных проводов. Этот раздел ПЗУ выполняет главную функцию. Начинка зависит от материала, из которого сделаны ПЗУ (могут применяться перфорационные и магнитные ленты, перфокарты, магнитные диски, барабаны, ферритовые наконечники, диэлектрики и их свойство накопления электростатических зарядов).
Схематическое строение ПЗУ
Этот объект электроники изображается в виде устройства, которое по внешнему виду напоминает соединение определённого числа одноразрядных ячеек. Микросхема ПЗУ, несмотря на потенциальную сложность и, казалось бы значительные возможности, по размеру мала. При запоминании определённого бита производится запайка к корпусу (когда записывается нуль) или к источнику питания (когда записывается единица). Для увеличения разрядности ячеек памяти в постоянных запоминающих устройствах микросхемы могут параллельно соединяться. Так и делают производители, чтобы получить современный продукт, ведь микросхема ПЗУ с высокими характеристиками позволяет им быть конкурентными на рынке.
Объемы памяти при использовании в различных единицах техники
Объемы памяти разнятся в зависимости от типа и предназначения ПЗУ. Так в простой бытовой технике вроде стиральных машинок или холодильников можно хватает установленных микроконтроллеров (с их запасов в несколько десятков килобайт), и в редких случаях устанавливается что-то более сложное. Использовать большой объем ПЗУ здесь не имеет смысла, ведь количество электроники невелико, и от техники не требуется сложных вычислений. Для современных телевизоров требуется уже что-то более совершенное. И вершиной сложности является вычислительная техника вроде компьютеров и серверов, ПЗУ для которых, как минимум, вмещают от нескольких гигабайт (для выпущенных лет 15 назад) до десятков и сотен терабайт информации.
Масочное ПЗУ
В случаях, когда запись ведётся при помощи процесса металлизации и используется маска, такое постоянное запоминающее устройство называется масочным. Адреса ячеек памяти в них подаются на 10 выводов, а конкретная микросхема выбирается с помощью специального сигнала CS. Программирование этого вида ПЗУ осуществляется на заводах, вследствие этого изготовление в мелких и средних объемах невыгодно и довольно неудобно. Но при крупносерийном производстве они являются самым дешевым среди всех постоянных запоминающих устройств, что и обеспечило им популярность.
Схематически от общей массы отличаются тем, что в запоминающей матрице соединения проводников заменены плавкими перемычками, изготовленные из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки, и компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Но во время подготовительного программирования подаётся повышенное напряжение, с помощью которого оставляют логические единицы. При подаче низких напряжений перемычки испаряются, и компьютер считывает, что там логический нуль. По такому принципу действуют программируемые постоянные запоминающие устройства.
Программируемые постоянные запоминающие устройства
ППЗУ оказались достаточно удобными в процессе технологического изготовления, чтобы к ним можно было прибегать при средне- и мелкосерийном производстве. Но такие устройства имеют и свои ограничения - так, записать программу можно только раз (из-за того, что перемычки испаряются раз и навсегда). Из-за такой невозможности использовать постоянное запоминающее устройство повторно, при ошибочном записывании его приходится выбрасывать. В результате повышается стоимость всей произведённой аппаратуры. Ввиду несовершенства производственного цикла эта проблема довольно сильно занимала умы разработчиков устройств памяти. Выходом из этой ситуации стала разработка ПЗУ, которое можно программировать заново многократно.
ПЗУ с ультрафиолетовым или электрическим стиранием
И получили такие устройства название «постоянное запоминающее устройство с ультрафиолетовым или электрическим стиранием». Создаются они на основе запоминающей матрицы, в которой ячейки памяти имеют особую структуру. Так, каждая ячейка является МОП-транзистором, в котором затвор сделан из поликристаллического кремния. Похоже на предыдущий вариант, верно? Но особенность этих ПЗУ в том, что кремний дополнительно окружен диэлектриком, обладающим чудесными изолирующими свойствами, - диоксидом кремния. Принцип действия здесь базируется на содержании индукционного заряда, который может храниться десятки лет. Тут есть особенности по стиранию. Так, для ультрафиолетового ПЗУ-устройства необходимо попадание ультрафиолетовых лучей, идущих извне (ультрафиолетовой лампы и т.д.). Очевидно, что с точки зрения простоты эксплуатация постоянных запоминающих устройств с электрическим стиранием является оптимальным, так как для их активации необходимо просто подать напряжение. Принцип электрического стирания был с успехом реализован в таких ПЗУ, как флеш-накопители, которые можно увидеть у многих.
Но такая ПЗУ-схема, за исключением построения ячейки, структурно не отличается от обычного масочного постоянного запоминающего устройства. Иногда такие устройства называют ещё репрограммируемыми. Но при всех преимуществах имеются и определённые границы скорости стирания информации: для этого действия обычно необходимо около 10-30 минут.
Несмотря на возможность перезаписи, репрограммируемые устройства имеют ограничения по использованию. Так, электроника с ультрафиолетовым стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. Затем разрушающее влияние излучения становится настолько ощутимым, что они перестают функционировать. Увидеть использование подобных элементов можно в качестве хранилищ для программ BIOS, в видео- и звуковых картах, для дополнительных портов. Но оптимальным относительно перезаписи является принцип электрического стирания. Так, число перезаписей в рядовых устройствах составляет от 100 000 до 500 000! Существуют отдельные ПЗУ-устройства, которые могут работать и больше, но большинству пользователей они ни к чему.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – ЗУ, предназначенное для хранения неизменяемой информации (программ, констант, табличных функций). В процессе решения задач ПЗУ допускает только чтение информации. В качестве характерного примера применения ПЗУ можно указать БИС ПЗУ, используемые в РС для хранения BIOS (Basic Input Output System – базовой системы ввода-вывода).
В общем случае накопитель ПЗУ (массив его запоминающих ячеек) емкостью ЕПЗУ слов, длиною в r + 1 разрядов каждое, обычно представляет собой систему из ЕПЗУ горизонтальных (адресных) и r + 1 вертикальных (разрядных) проводников, которые в точках пересечения могут быть соединены элементами связи (рис. 1.46). Элементы связи (ЭС) – это плавкие вставки или p -n -переходы. Наличие элемента связи между j -м горизонтальным и i -м вертикальным проводниками означает, что в i -м разряде ячейки памяти номер j записана единица, отсутствие ЭС означает, что здесь записан нуль. Запись слова в ячейку номер j ПЗУ производится должной расстановкой элементов связи между разрядными проводниками и адресным проводом номер j . Чтение слова из ячейки номер j ПЗУ происходит так.
Рис. 1.46. Накопитель ПЗУ емкостью ЕПЗУ слов, длиною в r + 1 разрядов каждое
Код адреса A = j дешифрируется, и на горизонтальный проводник номер j накопителя подается напряжение от источника питания. Те из разрядных проводников, которые соединены с выбранным адресным проводником элементами связи, оказываются под напряжением U 1 уровня единицы, остальные разрядные проводники остаются под напряжением U 0 уровня нуля. Совокупность сигналов U 0 и U 1 на разрядных проводниках и образует содержимое ЯП номер j , а именно слово по адресу А .
В настоящее время ПЗУ строят из БИС ПЗУ, у которых используются полупроводниковые ЭС. БИС ПЗУ принято делить на три класса:
– масочные (МПЗУ);
– программируемые (ППЗУ);
– репрограммируемые (РПЗУ).
Масочные ПЗУ (ROM – от Read Only Memory) – ПЗУ, информация в которые записывается с фотошаблона в процессе выращивания кристалла. Например, БИС ПЗУ 555РЕ4 емкостью 2 кбайта представляет собою генератор символов по коду КОИ-8. Достоинством масочных ПЗУ является их высокая надежность, а недостатком – низкая технологичность.
Программируемые ПЗУ (PROM – Programmable ROM) – ПЗУ, информация в которые записывается пользователем при помощи специальных устройств – программаторов. Данные БИС изготавливаются с полным набором ЭС во всех точках пересечения адресных и разрядных проводников. Это повышает технологичность таких БИС, а значит, и массовость в производстве и применении. Запись (программирование) информации в ППЗУ производится пользователем по месту их применения. Делается это путем выжигания элементов связи в тех точках, в которых должны быть записаны нули. Укажем, например, на ТТЛШ-БИС ППЗУ 556РТ5 емкостью 0,5 кбайт. Надежность БИС ППЗУ ниже, чем у масочных БИС. Перед программированием их необходимо тестировать на наличие ЭС.
В МПЗУ и ППЗУ невозможно изменять содержимое их ЯП. Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) допускают многократную смену хранимой в них информации. Фактически РПЗУ – это ОЗУ, у которых t ЗП>>t ЧТ. Замена содержимого РПЗУ начинается со стирания хранившейся в нем информации. Выпускаются РПЗУ с электрическим (EЕPROM) и ультрафиолетовым (UVEPROM) стиранием информации. Например, БИС РПЗУ с электрическим стиранием КМ1609РР2А емкостью 8 кбайт может перепрограммироваться не менее 104 раз, хранит информацию не менее 15000 ч (около двух лет) во включенном состоянии и не менее 10 лет – в выключенном. БИС РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием К573РФ4А емкостью 8 кбайт допускает не менее 25 циклов перезаписи, хранит информацию во включенном состоянии не менее 25000 ч, а в выключенном – не менее 100000 ч.
Основное назначение РПЗУ – использование их вместо ПЗУ в системах разработки и отладки программного обеспечения, микропроцессорных системах и других, когда приходится время от времени вносить изменения в программы.
Работу ПЗУ можно рассматривать как однозначное преобразование N -разрядного кода адреса А в n -разрядный код считываемого из него слова, т.е. ПЗУ является преобразователем кода (цифровым автоматом без памяти).
На рис. 1.47 показано условное изображение ПЗУ на схемах.
Рис. 1.47. Условное изображении ПЗУ
Функциональная схема ПЗУ приведена на рис. 1.48.
Рис. 1.48. Функциональная схема ПЗУ
По принятой в среде специалистов по запоминающим устройствам терминологии входной код называется адресом, 2n вертикальных шин – числовыми линейками, m выходов – разрядами храни-мого слова. При поступлении на вход ПЗУ любого двоичного кода всегда выбирается одна из числовых линеек. При этом на выходе тех элементов ИЛИ, связь которых с данной числовой линейкой не разрушена, появляется 1. Это значит, что в данном разряде выбранного слова (или числовой линейки) записана 1. На выходах тех разрядов, связь которых с выбранной числовой линейкой выжжена, останутся нули. Закон программирования может быть и инверсным.
Таким образом, ПЗУ – это функциональный узел с n входами и m выходами, хранящий 2n m -разрядных слов, которые при работе цифрового устройства не изменяются. При подаче на вход ПЗУ адреса на выходе появляется соответствующее ему слово. При логическом проектировании постоянное ЗУ рассматривают или как память с фиксированным набором слов, или как кодовый преобразователь.
На схемах (см. рис. 1.47) ПЗУ обозначается как ROM. Постоянные запоминающие устройства обычно имеют вход разрешения Е. При активном уровне на входе Е ПЗУ выполняет свои функции. При отсутствии разрешения выходы микросхемы неактивны. Разрешающих входов может быть несколько, тогда микросхема отпирается по совпадению сигналов на этих входах. В ПЗУ сигнал Е часто называют чтением ЧТ (read), выбором микросхемы ВМ, выбором кристалла ВК (chip select – CS).
Микросхемы ПЗУ приспособлены для наращивания. Чтобы увеличить число разрядов хранимых слов, все входы микросхем включают параллельно (рис. 1.49, а ), а с увеличившегося суммарного числа выходов снимается выходное слово соответственно увеличенной разрядности.
Для увеличения числа самих хранимых слов (рис. 1.49, б ) адресные входы микросхем включают параллельно и рассматривают как младшие разряды нового, расширенного адреса. Добавленные старшие разряды нового адреса поступают на декодер, который по входам Е выбирает одну из микросхем. При малом числе микросхем дешифрацию старших разрядов можно делать на конъюнкции разрешающих входов самих ПЗУ. Выходы одноименных разрядов при увеличении числа хранимых слов должны объединяться с помощью функций ИЛИ. Специальных элементов ИЛИ не требуется, если выходы микросхем ПЗУ выполнены или по схеме открытого коллектора для объединения методом монтажного ИЛИ, или по схеме буфера с тремя состояниями, допускающего непосредственное физическое объединение выходов.
Выходы микросхем ПЗУ обычно инверсные, инверсным часто бывает и вход Е. Наращивание ПЗУ может потребовать введения буферных усилителей для увеличения нагрузочной способности некоторых источников сигналов, учета вносимых этими усилителями дополнительных задержек, но в общем при сравнительно небольших объемах памяти, что типично для многих ЦУ (например устройств автоматики), наращивание ПЗУ обычно не порождает принципиальных проблем.
Рис. 1.49. Увеличение числа разрядов хранимых слов при параллельном включении входов микросхем и увеличении числа хранимых слов при включении параллельно адресных входов микросхем
