Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ): принцип работы, классификация, характеристики. Что такое ПЗУ и ОЗУ в компьютере или телефоне
Современные компьютеры – это сложнейшие электронные устройства, выполняющие миллионы простейших операций в секунду.
Благодаря этому мы можем наслаждаться сложными игровыми мирами, смотреть фильмы в высоком качестве изображения, бродить в интернете и т.д. Мало чем уступают компьютерам и телефоны, которые тоже сегодня обязательно оснащаются всеми необходимыми атрибутами вычислительного устройства – высокопроизводительным процессором, оперативной и постоянной памятью, сокращенно – ОЗУ и ПЗУ.
Что такое ОЗУ?
Необходимость в оперативном запоминающем устройстве (сокращенно – ОЗУ или RAM) возникла уже у самых первых вычислительных машин, созданных в далекие 40-е годы. Буферная память, как ее иногда называют другими словами, используется при выполнении любого процесса.
Фактически, все операции, выполняемые процессором, используют ОЗУ для сохранения промежуточных результатов. Данные, хранимые в ОЗУ, изменяются очень быстро и никогда не сохраняются после выключения компьютера или телефона.
Объем оперативной памяти выбирается в соответствии с быстродействием процессора. От обширной оперативной памяти будет мало толку в сочетании с маломощным процессором. Соответственно, самый производительный процессор не сможет эффективно работать в комплекте с небольшим по объему памяти ОЗУ.
Впрочем, мощному процессору можно помочь, «отщипнув» кусочек памяти от . Для телефона этот способ не годится, а в стационарном компьютере опытный пользователь вполне может осуществить «разгон», увеличив скорость его процессов.
Говоря простыми словами, ОЗУ – это устройство, используемое компьютером или телефоном как черновик. Туда записываются промежуточные результаты, которые быстро стираются и заменяются новыми, тоже промежуточными. Когда компьютер выключают, «черновик» уничтожается, так как хранить данные, записанные в его памяти, совершенно не обязательно.
Что такое ПЗУ?
Намного более сложными являются постоянные запоминающие устройства (сокращенно – ПЗУ или ROM), которые обладают одним очень важным свойством – сохраняют записанную информацию даже при полном выключении электропитания. В стационарном компьютере используется несколько видов ПЗУ:
— интегральная микросхема, на которой записан БИОС, размещенная на материнской плате и питающаяся от собственной батарейки-«таблетки»;
— жесткий диск, или винчестер, внутреннего или внешнего размещения;
— съемные карты памяти (флеш-память, microSD карты и т.д.);
— лазерные диски CD, DVD и их накопители;
— флоппи-диски (сейчас уже полностью вышли из употребления).
Все эти устройства можно объединить одним названием – постоянные запоминающие устройства. Но, как правило, когда говорят о ПЗУ компьютера или телефона, имеют в виду только микросхему, в которой «прошит» базовый комплекс программного обеспечения.
Для того, чтобы изменить записанную в ней информацию, нужно специальное и очень сложное оборудование, обычный пользователь ни при каких условиях не сможет это сделать.
Информация, сохраняемая другими типами ПЗУ, делится на несколько разделов по степени важности для устройства:
— раздел для операционной системы;
— раздел для программ и приложений;
— раздел для остальной информации.
Операционную систему компьютера, как и мобильного телефона, при желании можно заменить или внести в нее исправления. Однако делать это нужно с осторожностью и только в том случае, когда вы полностью понимаете, к чему приведут эти изменения.
Если работа ОС будет нарушена, придется обращаться к специалисту для ее настройки, а может, и переустановки. Остальные разделы памяти могут без особых проблем стираться и перезаписываться, полностью или частично – на работоспособности устройства это не скажется.
Итак, постоянное запоминающее устройство компьютера – это его «память», информация в которой сохраняется, даже если питание будет выключено. ПЗУ можно назвать чистовой тетрадью компьютера, куда записываются только результаты процессов для постоянного хранения.
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 хранилище данных, 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 (это микроконтроллеры, 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 объема памяти 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.
ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память, которая, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). 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.
В ПЗУ находятся:
Тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
Программы для управления основными периферийными устройствами - дисководом, монитором, клавиатурой;
Информация о том, где на диске расположена операционная система.
Типы ПЗУ:
ПЗУ с масочным программированием это память, в которую информация записана раз и навсегда в процессе изготовления полупроводниковых интегральных схем. Постоянные запоминающие устройства применяются только в тех случаях, когда речь идет о массовом производстве, т.к. изготовление масок для интегральных схем частного применения обходится весьма недешево.
ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство).
Программирование ПЗУ – это однократно выполняемая операция, т.е. информация, когда-то записанная в ППЗУ, впоследствии изменена быть не может.
СППЗУ (стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство). При работе с ним, пользователь может запрограммировать его, а затем стереть записанную информацию.
ЭИПЗУ (электрически изменяемое постоянное запоминающее устройство). Его программирование и изменение осуществляются с помощью электрических средств. В отличии от СППЗУ для стирания информации, хранимой в ЭИПЗУ, не требуется специальных внешних устройств.
Наглядно ОЗУ и ПЗУ можно представить себе в виде массива ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом байта.
Центральный процессор при работе с ОЗУ должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память. Разумеется, из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из ОЗУ или ПЗУ данные процессор записывает в свою внутреннюю память, устроенную аналогично ОЗУ, но работающую значительно быстрее и имеющую емкость не более десятков байт.
Процессор может обрабатывать только те данные, которые находятся в его внутренней памяти, в ОЗУ или в ПЗУ. Все эти виды устройства памяти называются устройствами внутренней памяти, они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера (внутренняя память процессора находится в самом процессоре).
Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.
Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).
В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для постоянного, энергонезависимого хранения информации.
По способу записи ПЗУ классифицируют следующим образом:
- однократно программируемые маской на предприятии-изготовителе;
- однократно программируемые пользователем с помощью специальных устройств, называемых программаторами - ППЗУ ;
- перепрограммируемые, или репрограммируемые ПЗУ - РПЗУ .
Масочные ПЗУ
Программирование масочных ПЗУ происходит в процессе изготовления БИС. Обычно на кристалле полупроводника вначале создаются все запоминающие элементы (ЗЭ) , а затем на заключительных технологических операциях с помощью фотошаблона слоя коммутации реализуются связи между линиями адреса, данных и собственно запоминающим элементом. Этот шаблон (маска) выполняется в соответствии с пожеланиями заказчика по картам заказа. Перечень возможных вариантов карт заказов приводится в технических условиях на ИМС ПЗУ . Такие ПЗУ изготавливаются на основе матриц диодов, биполярных или МОП-транзисторов.
Масочные ПЗУ на основе диодной матрицы
Схема такого ПЗУ представлена на рис. 12.1 . Здесь горизонтальные линии – адресные, а вертикальные – это линии данных, с них в данном случае снимаются 8-разрядные двоичные числа. В данной схеме ЗЭ – это условное пересечение линии адреса и линии данных. Выбор всей строки ЗЭ производится при подаче логического нуля на линию адреса ЛА i c соответствующего выхода дешифратора. В выбранный ЗЭ записывается логический 0 при наличии диода на пересечении линии D i и ЛА i , т.к. в этом случае замыкается цепь: + 5 В, диод, земля на адресной линии. Так, в данном ПЗУ при подаче адреса 11 2 активный нулевой сигнал появляется на адресной линии ЛА 3 , на ней будет уровень логического 0, на шине данных D 7 D 0 появится информация 01100011 2 .
Масочные ПЗУ на основе матрицы МОП-транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.2 . Запись информации осуществляется подключением или неподключением МОП-транзистора в соответствующих точках БИС. При выборе определенного адреса на соответствующей адресной линии ЛА i появляется активный сигнал логической 1, т.е. потенциал, близкий к потенциалу источника питания + 5 В. Данная логическая 1 подается на затворы всех транзисторов строки и открывает их. Если сток транзистора металлизирован, на соответствующей линии данных D i появляется потенциал порядка 0,2 0,3 В, т.е. уровень логического 0. Если же сток транзистора не металлизирован, указанная цепь не реализована, на сопротивлении R i не будет падения напряжения, т.е. в точке D i будет потенциал +5 В, т.е. уровень логической 1. Например, если в показанном на рис. 12.2 ПЗУ на адрес подать код 01 2 , на линии адреса ЛА 1 будет активный уровень 1, а на шине данных D 3 D 0 будет код 0010 2 .
Масочные ПЗУ на основе матрицы биполярных транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.3 . Запись информации осуществляется также металлизацией или неметаллизацей участка между базой и адресной линией. Для выбора строки ЗЭ на линию адреса ЛА i подается логическая 1. При металлизации она подается на базу транзистора, он открывается вследствие разницы потенциалов между эмиттером (земля) и базой (примерно + 5 В). При этом замыкается цепь: + 5 В; сопротивление R i ; открытый транзистор, земля на эмиттере транзистора. В точке D i при этом будет потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом транзисторе – порядка 0,4 В, т.е. логический 0. Таким образом, в ЗЭ записан ноль. Если участок между линией адреса и базой транзистора не металлизован, указанная электрическая цепь не реализована, падения напряжения на сопротивлении R i нет, поэтому на соответствующей линии данных D i будет потенциал +5 В, т.е. логическая 1. При подаче, например, адреса 00 2 в приведенном на рис. 12.3 ПЗУ на ШД появится код 10 2 .
Примеры масочных ПЗУ приведены на рис. 12.4 , а в табл. 12.1 – их параметры .
| Обозначение БИС | Технология изготовления | Информационная емкость, бит | Время выборки, нс |
|---|---|---|---|
| 505РЕ3 | pМОП | 512x8 | 1500 |
| К555РE4 | ТТЛШ | 2Кx8 | 800 |
| К568РЕ1 | nМОП | 2Кx8 | 120 |
| К596РЕ1 | ТТЛ | 8Кx8 | 350 |
Программируемые ПЗУ
Программируемые ПЗУ (ППЗУ ) представляют собой такие же диодные или транзисторные матрицы, как и масочные ПЗУ, но с иным исполнением ЗЭ. Запоминающий элемент ППЗУ приведен на рис. 12.5 . Доступ к нему обеспечивается подачей логического 0 на линию адреса ЛА i . Запись в него производится в результате осаждения (расплавления) плавких вставок ПВ, включенных последовательно с диодами, эмиттерами биполярных транзисторов, стоками МОП-транзисторов. Плавкая вставка ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при программировании импульсами тока величиной 50 100 микроампер и длительностью порядка 2 миллисекунд. Если вставка сохранена, то в ЗЭ записан логический 0, поскольку реализована цепь между источником питания и землей на ЛА i через диод (в транзисторных матрицах – через открытый транзистор). Если вставка разрушена, то указанной цепинет и в ЗЭ записана логическая 1.
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)
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
