Постоянные запоминающие устройства

ПЗУ – это энергонезависимая адресная память, которая применяется для хранения неизменяемой или редко изменяемой в течении времени эксплуатации ВМ информации, например, системного и прикладного ПО для встраиваемых и бортовых ВМ, таблиц констант, настроечных параметров и т.п.

Основным рабочим режимом работы ПЗУ является чтение, что и определяет другое общее название такой памяти ROM (Read Only Memory).

Запись информации в ПЗУ называется программированием и значительно сложнее чтения, требует применения специальных устройств или технологических процессов, больших временных и энергетических затрат.

В основе работы различных типов ПЗУ используется один и тот же принцип представления информации. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединений (перемычек) между шинами адреса и шинами данных. Проиллюстрируем этот принцип на примере упрощенной структурной схемы ПЗУ, изображенной на рис.6.6. Каждая из ЯП матрицы ПЗУ состоит из p-n перехода, изображенного в виде диода, и перемычки, наличие или отсутствие которой определяет 1 или 0 состояние ЯП /2,7,13/. Вместо диодов могут использоваться также биполярные или полевые транзисторы. При подаче на адресные входы ПЗУ кода адреса часть его разрядов m поступает на дешифратор 1 (дешифратор матрицы), а другая часть – n разрядов на дешифратор 2 (дешифратор селектора). На од
ном из выходов дешифратора 1 (адресной шине) формируется напряжения высокого уровня (логическая 1), которое при наличии перемычек в ЯП прикладывается к соответствующим балластным резисторам R. На шинах данных, подключенных к этим резисторам, также формируется сигнал логической 1. В тех же ЯП, у которых перемычки отсутствуют, ток через соответствующие резисторы не протекает, и на шинах данных, подключенных к этим резисторам формируется сигнал логического 0.

Как правило, полученное на шинах данных хранимое К - разрядное слово является многобайтовым и его разрядность существенно превышает разрядность выходного слова ПЗУ. Таким образом, в строке ПЗУ хранится группа слов. Для выделения из хранимых в строках ПЗУ групп слов требуемого выходного слова, например, состоящего из одного байта, используется селектор, управляемый дешифратором 2. Из селектора выходное слово через буферный регистр поступает на выход ПЗУ. Процесс чтения из ПЗУ возможен только при активном уровне сигнала на входе .

В зависимости от типа и способа организации соединений (перемычек) в матрице между шинами адреса и шинами данных все ПЗУ, как показано на рис.6.7, можно разделить на две группы – однократно программируемые и перепрограммируемые (репрограммируемые).

Однократно программируемые ПЗУ можно разбить на две подгруппы – масочные ПЗУ (ПЗУМ - ROM) и программируемые пользователем ПЗУ (ППЗУ – PROM).

ПЗУМ относятся к устройствам памяти, в которые информация записывается непосредственно в процессе их изготовления. В ЯП, в которые требуется записать 1, с помощью масок формируются (например, напыляются) металлические перемычки, в остальные же ЯП перемычки не устанавливаются. ПЗУМ являются простыми и дешевыми устройствами, используемыми при массовом производстве ВМ.

ППЗУ (PROM – Programmable ROM)) являются устройствами памяти, которые программируются один раз непосредственно их пользователем. В ячейках ППЗУ вместо диодов используются переходы база – эмиттер биполярных транзисторов, а перемычки изготавливаются из нихрома, титаната вольфрама или поликремния и имеют собственное сопротивление несколько десятков Ом. Первоначально перемычки установлены во всех ЯП, т.е. при изготовлении интегральной схемы во все ЯП записаны 1. Физически процесс записи в ППЗУ осуществляется путем разрушения (пережигания) перемычек только в тех ЯП, в которые требуется записать 0. При программировании схему ППЗУ устанавливают в программатор, в котором для разрушения перемычек через транзисторы ЯП пропускают импульсы тока 20…30 mA. При чтении токи через транзисторы существенно меньше, и поэтому записанная информация при чтении не разрушается.

В ряде типов ППЗУ в качестве ЯП используются два встречно включенных p-n перехода. При программировании таких устройств производится пробой (короткое замыкание) повышенным напряжением одного из p-n переходов, т.е. установка перемычки – запись 1 в ЯП.

Очевидно, что записанная таким образом информация не может быть изменена.

РПЗУ (EPROM – Erasable PROM) – это группа ПЗУ, обладающих возможностью многократной переписи (перепрограммирования или репрограммирования от сотен до сотен тысяч раз) записанной информации. Ячейки РПЗУ реализуются на базе полевых транзисторов со специальной структурой – с плавающим затвором (ЛИЗМОП) или двухслойным диэлектриком МНОП). Эти полевые транзисторы выполняют роль «управляемых» перемычек, которые можно переводить в замкнутое или разомкнутое состояние. Типовая схема ЯП РПЗУ приведена на рис.6.8.

Транзистор Т1 служит для выбора по сигналу с выхода дешифратора адреса соответствующего транзистора памяти Т2. Шина данных через ограничительный резистор R подключена к источнику питания +U_П. При отпирании транзистора Т1 величина тока в цепи его стока и, следовательно, величина напряжения на шине данных зависит от состояния транзистора Т2. Наличие или отсутствие тока определяет хранение логических 0 или 1 в ЯП. Открытое или закрытое состояние транзистора Т2 определяется соответственно наличием или отсутствием электрического заряда на его затворе. Отсутствие каких-либо электрических связей позволяет затвору длительное время (годами) хранить достаточно большой электрический заряд, т.е. поддерживать состояние ЯП.

Процесс записи информации в РПЗУ разделяется на два этапа: стирание ранее записанной информации и запись новой информации. Группа РПЗУ в зависимости от физических особенностей процесса стирания делится на две подгруппы: РПЗУ-УФ с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью (UVEPROM – Ultra Violet EPROM)) и РПЗУ-ЭС электрическим стиранием и электрической записью информации (EEPROM – Electrical EPROM)).

РПЗУ-УФ для стирания информации поверхность полупроводникового материала в течение 15…20 мин облучают ультрафиолетовым излучением в специальном стирающем устройстве. При этом происходит удаление существовавшего на затворах транзисторов электрического заряда. На втором этапе РПЗУ-УФ устанавливают в программатор, и производят запись информации в определенные ЯП за счет образования заряда на затворах с помощью повышенного (12 – 26 В) записывающего напряжения программатора.

РПЗУ-ЭС для стирания и записи информации используют электрические сигналы программатора, в который установлена микросхема РПЗУ-ЭС. Напряжение стирания также является повышенным и составляет 10 – 30В.

Процесс программирования требует время, значительно превышающее (на несколько порядков) время чтения информации, причем необходимо применять специальное оборудование, в которое устанавливается изъятая из ВМ микросхема РПЗУ. После программирования микросхема РПЗУ вновь устанавливается в целевую ВМ. Стоимость РПЗУ значительно выше стоимости ПЗУМ. Поэтому РПЗУ находят применение в процессах отладки и опытной эксплуатации МК, когда велика вероятность изменения записанных в РПЗУ программ, таблиц параметров и т.п.

Флэш – память (Flash) по определению относится к подгруппе EEPROM, но благодаря особым характеристикам и области применения выделена в отдельную подгруппу РПЗУ . Во флэш – памяти используется особая технология построения ЯП, которая позволяет производить стирание сразу целой области (блока) ЯП или полностью всей микросхемы. Это позволяет существенно повысить скорость записи (программирования), увеличить плотность упаковки ЯП в чипе, уменьшить энергопотребление и удельную стоимость. Программирование флэш – памяти производится за единицы секунд, а время выборки t_В не превышает сотни наносекунд. Важным достоинством флэш – памяти является возможность ее программирования в составе МС, так как для стирания и записи используются штатное значение напряжения питания 5В, а наличие в составе памяти управляющего автомата позволяет организовать сопряжение флэш – памяти с наиболее распространенными шинами МС. Информационная емкость современной флэш – памяти достигает десятков Гбайт, число циклов стирания – записи 10⁶.

Рассмотренные характеристики флэш – памяти позволяют использовать ее в качестве электронных аналогов электромеханических дисков – твердотельных дисков SSD (Solid State Disk) или DOC (Disk On Chip). SSD и DOC по сравнению с НЖМД обеспечивают работоспособность в условиях широкого диапазона температур, вибраций, ударов, имеют меньшее энергопотребление, размеры и вес, поэтому применяются в бортовых и встраиваемых МС.

Общим недостатком рассмотренных типов РПЗУ является большая длительность цикла записи t_Ц.ЗП., во много раз большая длительности цикла чтения t_Ц,ЧТ.. Для создания быстродействующей энергонезависимой памяти, удовлетворяющей условию t_Ц.ЗП. = t_Ц,ЧТ.≈ десятки наносекунд используют модули статической памяти SRAM в комплекте батарейкой питания. В рабочем режиме модуль SRAM подключен к источнику электропитания МС, а в режиме хранения, когда источник электропитания МС выключен, SRAM подключается к батарейке питания. Энергонезависимая память такого типа обеспечивает длительное (до года) хранение информации, так как в режиме хранения энергопотребление модуля SRAM ничтожно мало (единицы mкА).

Контрольные вопросы и задания

1.Почему в ВМ используют иерархическую структуру памяти?

2.Какими свойствами должны обладать программы и данные, чтобы применение кэш – памяти позволяло увеличить производительность ВМ?

3.Как в ВМ реализуется виртуальная память?

4.Каким образом реализовать увеличение адресного пространства и разрядности памяти?

5. В каких блоках ВМ применяется ПЗУ?

6. Разработайте схему ПЗУ с использованием модуля статической памяти SRAM в комплекте батарейкой питания.