Общая характеристика постоянной памяти. Принцип работы ПЗУ

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM, англ.) Служит для хранения программ начальной загрузки компьютера и тестирования его узлов. Используется только для чтения. Она энергонезависима, то есть записанная в ней информация не изменяется после выключения компьютера.

· По виду доступа:

· С параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ. Например, К573РФ5;

· С последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A.

· По способу программирования микросхем (записи в них прошивки):

· Непрограммируемые ПЗУ;

· ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства - программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.

· Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) - такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом.

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различнымиконтроллерами, или компьютером (BIOS или OpenBoot на машинах SPARC).

Назначение и характеристика ОЗУ.

Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM, англ.) Она предназначена для хранения информации, изменяющейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке. Используется как для чтения, так и для записи информации. Энергозависима, то есть вся информация хранится в этой памяти только тогда, когда компьютер включен.

Физически для построения запоминающего устройства типа RАМ используют микросхемы динамической и статической памяти, для которых сохранение бита информации означает сохранение электрического заряда (именно этим объясняется энергозависимость всей оперативной памяти, то есть потеря при выключении компьютера всей информации, хранимой в ней).

Оперативная память компьютера физически выполняется на элементах динамической RАМ, а для согласования работы сравнительно медленных устройств (в нашем случае динамической RАМ) со сравнительно быстрым микропроцессором используют функционально для этого предназначенную кэш-память, построенную из ячеек статической RАМ. Таким образом, в компьютерах присутствуют одновременно оба вида RАМ. Физически внешняя кэш-память также реализуется в виде микросхем на платах, которые вставляются в соответствующие слоты на материнской плате.

Основные элементы ПК.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы - стыки подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.

Доброго времени суток.

Если вы хотите заполнить пробел в знаниях относительно того, что такого ПЗУ, то попали по адресу. В нашем блоге вы сможете прочитать об этом емкую информацию на языке, доступном для простого пользователя.

Расшифровка и объяснение

Буквы ПЗУ являются заглавными в формулировке «постоянное запоминающее устройство». Его еще можно равноправно назвать «ROM». Английская аббревиатура расшифровывается как Read Only Memory, а переводится - память только для чтения.

Эти два названия раскрывают суть предмета нашей беседы. Речь идет об энергонезависимом типе памяти, которую можно только считывать. Что это значит?

• Во-первых, на ней хранятся неизменяемые данные, заложенные разработчиком при изготовлении техники, то есть те, без которых ее работа невозможна.
• Во-вторых, термин «энергонезависимый» указывает на то, что при перезагрузке системы данные с нее никуда не деваются, в отличие от того, как это происходит с оперативной памятью.

Стереть информацию с такого устройства можно только специальными методами, к примеру, ультрафиолетовыми лучами.

Примеры

Постоянная память в компьютере - это определенное место на материнской плате, в котором хранятся:

• Тестовые утилиты, проверяющие правильность работы аппаратной части при каждом запуске ПК.
• Драйвера управления главными периферийными девайсами (клавиатурой, монитором, дисководом). В свою очередь, те слоты на материнской плате, в функции которых не входит включение компьютера, не хранят свои утилиты в ROM. Ведь место ограничено.
• Прогу начальной загрузки (BIOS), которая при включении компа запускает загрузчик операционной системы. Хотя нынешний биос может включать ПК не только с оптических и магнитных дисков, но и с USB-накопителей.

В мобильных гаджетах постоянная память хранит в себе стандартные приложения, темы, картинки и мелодии. При желании пространство для дополнительной мультимедийной информации расширяют с помощью перезаписываемых SD-карт. Однако если устройство используется только для звонков, в расширении памяти нет необходимости.

В целом, сейчас ROM есть в любой бытовой технике, автомобильных плеерах и прочих девайсах с электроникой.

Физическое исполнение

Чтобы вы лучше могли познакомиться с постоянной памятью, расскажу больше о ее конфигурации и свойствах:

• Физически представляет собой микросхему со считывающим кристаллом, если входит в комплект компьютера, к примеру. Но бывают и самостоятельные массивы данных (компакт-диск, грампластинка, штрих-код и т. д.).
• ПЗУ состоит из двух частей «А» и «Э». Первая - диодно-трансформаторная матрица, прошиваемая при помощи адресных проводов. Служит для хранения программ. Вторая предназначена для их выдачи.
• Схематически состоит из нескольких одноразрядных ячеек. При записи определенного бита данных выполняется запайка к корпусу (ноль) или к источнику питания (единица). В современных устройствах схемы соединяются параллельно для увеличения разрядности ячеек.
• Объем памяти варьируется от нескольких килобайт до терабайт, в зависимости от того, к какому устройству она применена.

Виды

Разновидностей ПЗУ несколько, но чтобы не терять ваше время, назову только две основных модификации:

• Первая буква добавляет слово «programmable» (программируемое). Это значит, что пользователь может один раз самостоятельно прошить устройство.

• Еще две буквы впереди скрывают под собой формулировку «electrically erasable» (электрически стираемое). Такие ПЗУ можно перезаписывать сколько угодно. К этому типу относится флеш-память.

В принципе это всё, что я хотел сегодня до Вас донести.

Буду рад, если вы подпишетесь на обновления и будете заходить чаще.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации, например, таблиц, программ, каких-либо констант. Информация в ПЗУ хранится при отключенном источнике питания, т. е. ПЗУ являются энергонезависимыми микросхемами памяти и работают только в режиме многократного считывания информации.

По способу занесения информации в ПЗУ (программирования) их делят на 3 группы:

§ Однократно программируемые изготовителем, называемые масочными (заказными) или сокращенно ПЗУМ, а по буржуйски ROM.

§ Однократно программируемые пользователем (обычно способом пережигания плавких перемычек на кристалле) или ППЗУ, а по буржуйски PROM.

§ Многократно программируемые пользователем (репрограммируемые) или РПЗУ. По-буржуйски EPROM.

В однократно программируемых ПЗУ вместо элемента памяти, как в ОЗУ, ставится перемычка между шинами в виде пленочных проводников, диодов, транзисторов. Наличие перемычки соответствует лог. 1, ее отсутствие - лог. 0 или наоборот. Процесс программирования таких ПЗУ заключается в пережигании ненужных перемычек и поэтому в дальнейшем ПЗУ такого рода программировать нельзя.

Репрограммируемое ПЗУ

Репрограммируемые ПЗУ разделяются на два класса:

§ С режимом записи и стирания электрическим сигналом.

§ С режимом записи электрическим сигналом и стиранием ультрафиолетовым излучением.

Микросхемы РПЗУ допускают возможность многократного программирования (от сотен до тысяч циклов), способны сохранять информацию при отсутствии питания несколько тысяч часов, требуют значительного времени на перепрограммирование (что исключает возможность использовать в качестве ОЗУ), имеют сравнительно большое время считывания.

Элементом памяти в РПЗУ является полевой транзистор со структурой МНОП или МОП с плавающим затвором или ЛИЗМОП - МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда. Эти транзисторы под воздействием программирующего напряжения способны записать электрический заряд под затвором и сохранять его много тысяч часов без напряжения питания. Для того, чтобы перепрограммировать такое ПЗУ необходимо сначала стереть записанную ранее информацию. В РПЗУ на МНОП транзисторах стирание производится электрическим сигналом, который вытесняет накопленный под затвором заряд. В РПЗУ на ЛИЗМОП транзисторах стирание записанной информации происходит под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, которое облучает кристалл через специальное окно в корпусе микросхемы.

РПЗУ со стиранием УФ излучением имеют ряд недостатков, по сравнению с РПЗУ со стиранием электрическим сигналом. Так, например, для стирания информации УФ необходимо вынимать микросхему из контактных устройств (панелек), что не совсем удобно. К тому же, наличие окна в корпусе обуславливает чувствительность микросхемы РПЗУ к свету, что увеличивает вероятность случайного стирания информации. Да и число циклов перепрограммирования всего лишь нескольких десятков, когда у РПЗУ со стиранием электрическим сигналом это же число достигает 10000.

Элементы памяти ПЗУ (РПЗУ).

Основное требование к такой ячейке – сохранение информации при отключенном питании. Рассмотрим схему однотранзисторной ЗЯ для биполярного ПЗУ.

В эмиттерной цепи транзистора предусмотрена плавкая перемычка (П), которая в необходимых случаях может разрушаться при первоначальном программировании.

При обращении к ЗЯ по адресной линии в случае неразрушенной перемычки в РЛ будет протекать эмитерный ток транзистора. В случае разрушенной перемычки ток протекать не будет.

Элемент памяти ПЗУ может быть выполнен и на МОП-транзисторах. Однако биполярные ПЗУ имеют более высокое быстродействие (время обращения 20…60 нс), но и большую рассеиваемую мощность, чем ПЗУ на МОП-транзисторах (время обращения 200…600 нс).

Репрограммируемые ПЗУ в настоящее время выполняются двух типов. В РПЗУ первого типа матрица элементов памяти изготавливается аналогично матрице ПЗУ на основе МОП-транзисторов, но у которых между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается тонкий слой нитрида кремния (МНОП-транзисторы). Нитрид кремния способен захватывать и сохранять длительное время (до 10 лет и более) электрический заряд. В исходном состоянии транзистор имеет высокое напряжение открывания (10…15)В, которое понижается до рабочих уровней после зарядки слоя нитрида кремния. Чтобы зарядить слой нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора подается высоковольтный программирующий импульс, по амплитуде в несколько раз превышающий рабочие уровни напряжений (15…20)В. При подаче сигнала на адресную линию, подключенную к затворам транзисторов, происходит открывание только заряженных транзисторов. Таким образом, наличие заряда приводит к тому, что ЭП хранит 0, а его отсутствие – 1.

Для стирания записанной информации, т.е. удаления заряда захваченного слоем нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора необходимо подать импульс напряжения противоположный, чем при записи полярности.

Другие варианты ЭП РПЗУ выполняются на МНОП-транзисторах плавающим (изолированным) затвором. Подача высокого напряжения между истоком и стоком вызывает накопление в плавающем затворе заряда, создающего проводящий канал между стоком и истоком. Стирание информации осуществляется облучением транзисторов через кварцевое окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов и переводит их в непроводящее состояние.

Стирание информации таким способом имеет ряд очевидных недостатков, которые отсутствуют при электрическом стирании. Для этого в транзисторе выполняется второй управляющий затвор. Однако, ввиду большой площади ЭП, микросхемы РПЗУ с электрическим стиранием имеют в 2…4 раза меньшую информационную емкость, чем микросхемы со стиранием ультрафиолетовым светом.

Вопрос

Аналоговая схемотехника

Несмотря на все достижения цифровой вычислительной техники, в ряде случаев оказывается рационально производить математические вычисления с аналоговыми сигналами в аналоговом виде. Особенно если в окончательном виде необходимо получить результат в виде аналогового сигнала. Вычислительное устройство в этом случае получается намного проще цифрового и намного более быстродействующее. В аналоговом виде можно совершать все основные арифметические операции, операции логарифмирования и антилогарифмирования, дифференцирования и интегрирования и решение систем линейных дифференциальных уравнений. До того, как появились цифровые вычислительные устройства, в научных исследованиях широко использовались аналоговые вычислительные машины. Теперь их время кончилось, но при решении конкретных задач электроники все еще можно в ряде случаев с успехом использовать аналоговые методы вычислений. Погрешность вычислений в аналоговом виде обычно не превышает 1% и результат получается за время порядка 1 микросекунды. Хотя точность получается намного хуже, чем при цифровых методах вычислений, но все же может оказаться приемлемой. Зато по быстродействию аналоговые вычислительные устройства могут иметь преимущество перед цифровыми.

Усилительный каскад

Существенное уменьшение дрейфа нуля в усилителе постоянного тока достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис.2.15) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие

Данное свойство моста уменьшают влияние нестабильности источника питания и изменения параметров элементов схемы на процесс усиления входного сигнала.

На рис.2.16 представлена схема, с помощью которой объясняется принцип работы дифференциального усилительного каскада. Схема состоит из двух частей: мостовой и источника стабильного тока, представленные в виде источника тока I э . В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторами R и R (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15), а два других транзисторами Т и Т (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов Т и Т в одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов R и R . Если при повышении температуры в процессе работы этих элементов значения их параметров изменяются одинаково, то условие (2.18) выполняется. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.

Рис. 2.15. Схема четырехплечего Рис.2.16. Схема дифференциального моста усилительного каскада

Вопрос

Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Обозначения на схеме

Выводы для подачи напряжения питания (V S+ и V S-) могут обозначаться по-разному. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же - обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала.

1) Суммирующие и вычитающие устройства на ОУ

2) Измерительные усилители на ОУ

3) Интегратор

4) Дифференциатор

Вопрос

Статические параметры ОУ:

Коэффициент усиления KД . Является основным параметром ОУ на очень низкой частоте. Он определяется отношением выходного напряжения Uвых ОУ без ОС в режиме холостого хода к дифференциальному (разностному). Uвх.д = Uвх1 - Uвх.

Передаточная характеристика ОУ по постоянному току - это зависимость постоянного

выходного напряжения Uвых от постоянного входного дифференциального сигнала Uвх.д.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала K ос. сф = K Д/K с . Можноопределить, если подать на оба входа ОУ одинаковые напряжения, обеспечив при этом нулевое значение

U вх. д. Выходное напряжение также должно остаться равным нулю.

Входное сопротивление . Это сопротивление ОУ по отношению к входному сигналу.

Выходное сопротивление ОУ (R д. вых) . Определяется как для любого дру-

гого усилителя.

Минимальное сопротивление нагрузки (R H min) . Его значение определяется предельным выходным током при номинальном выходном напряжении.

Входное напряжение смещения (U вх. см) . Определяет постоянное напряжение, которое следует присоединить к входу ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Этот параметр учитывает разбаланс и несимметрию входного дифференциального каскада ОУ.

Входной ток смещения (I вх. см) . Равен среднему арифметическому значению двух входных токов ОУ при выходном напряжении, равном нулю, т. е. I вх. см = (I вх1 + I вх2)/2.

Разность входных токов (ΔI вх = I вх1 - I вх2) . Это абсолютное значение разности токов двух входов ОУ при выходном напряжении, равном нулю. Этот параметр, подобно U вх.см, также в значительной степени характеризует величину несимметрии входных каскадов ОУ.

Температурный дрейф напряжения смещения ΔU вх. см/Δt и разности входных токов ΔI вх/Δt . Температурный дрейф соответствует изменению одного из параметров, вызванному изменением температуры окружающей среды на 1 °C.

Коэффициент влияния нестабильности источника напряжения питания K вл. п . Это отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений U п.

Характеристики:

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики . Операцион-

ные усилители, имеющие трехкаскадную структуру для малого сигнала, об-

ладают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами.

Переходная характеристика ОУ . Переходная характеристика ОУ

позволяет в режиме малого сигнала определить линейные искажения им-

пульсного сигнала, в том числе время нарастания выходного сигнала при

воздействии единичного напряжения на входе усилителя.

Скорость нарастания выходного напряжения V U = ΔU вых/Δt .

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид

Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже

Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

Основные классификационные параметры ЗУ

Параметр	Обозначение	Определение
Информационная емкость	N	Число бит памяти в накопителе ЗУ
Число слов и ЗУ	п	Число адресов слов в накопителе ЗУ
Разрядность	т	Число разрядов в накопителе ЗУ
Коэффициент разветвления по выходу	K p	Число единичных нагрузок (входов других ИМС), которые можно одновременно подключить к выходу ЗУ
Число циклов перепрограм­мирования	Ncy	Число циклов запись-стирание, при котором сохраняется работоспособность ЗУ
Потребляемая мощность	р CC	Потребляемая ЗУ мощность в установленном режиме работы
Потребляемая мощность в режиме хранения	p CCS	Мощность, потребляемая ЗУ при хранении информации в режиме невыбора
Время хранения информации	t SG	Интервал времени, в течение которого ЗУ в заданном режиме сохраняет информацию

Статические параметры 3У

Важное преимущество ПЗУ по сравнению с ОЗУ - сохранение информации при выключении питания. Стоимость бита хранимой в ПЗУ информации может быть почти на порядок ниже, чем в ОЗУ. Постоянные ЗУ могут быть реализованы на основе различных физических принципов.

В настоящее время применяются следующие виды ПЗУ:

МАСОЧНЫЕ ПЗУ программируются их изготовителем, который по подготовленной пользователем информации делает фото-шаблоны, с помощью которых заносит эту информацию в процессе производства на кристалл ПЗУ. Этот способ самый дешевый и предназначен для крупносерийного производства ПЗУ.

Масочные ПЗУ строятся на основе диодов, биполярных и МДП-транзисторов. В диодных ПЗУ диоды включены в тех пересечениях матрицы, которые соответствуют записи «1», и отсутствуют в местах, где должен быть записан «0». Внешние цепи управления диодных ПЗУ очень просты. Так как диодная матрица представляет собой элемент с гальваническими связями, то выходные сигналы имеют ту же форму, что и входные. Постоянные ЗУ на МДП-транзисторах несколько проще в изготовлении, чем биполярные.

Масочные ПЗУ характеризуются большой надежностью, но невозможно изменить информацию в ПЗУ без изготовления новой ИС, что особенно неудобно на этапе отработки программ системы.

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕМ ПЗУ являются более универсальными и, следовательно, более дорогими приборами. Они представляют собой матрицы биполярных приборов с плав­кими перемычками (их упрощенная схема приведена на рис. 17.7), связи которых с адресными и разрядными шинами разрушаются при занесении кода на специальных ПРОГРАММАТОРАХ . Эти устройства вырабатывают напряжения, необходимые и достаточные для пережигания плавких перемычек в выбранных запоминающих элементах ПЗУ

На рис. . плав­кие перемычки ПП показаны в виде предохранителей, включенных в эмиттеры многоэмиттерных транзисторов VТo...VТп. Программируемые элементы включе­ны между эмиттерами транзисторов матриц и разрядными шинами. Наличие перемычки соответствует логическому 0 на выходе усилителя считывания, а отсут­ствие перемычки - логической единице. Процесс записи информации в схему представляет собой избирательное разрушение плавких пере­мычек током, обеспечиваемым устройством программирования

ОДНОКРАТНО ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ (ППЗУ) накопитель выполняют на базе ячеек. Постоянные ЗУ данного типа допускают только однократную запись информации в ячейку. При програм­мировании"эти плавкие перемычки из нихрома или другого тугоплавкого материала пережигают с помощью специального про­граммирующего устройства.. Пережигание перемычек в режиме про­граммирования выполняется серией импульсов по специальной программе.

Для повышения надежности работы ПЗУ методика программирования преду­сматривает подачу серии 40,.. 100 импульсов после фиксации момента пережигания перемычки, а также обязательную термотренировку запрограммированного ПЗУ при температуре (около 100°С).

Более надежными являются микросхемы с перемычками из поликристаллического кремния, в которых процесс необратимого перехода поликремния из проводящего состояния в непроводящее происходит под действием нагрева, вызванного протеканием тока.

Схемы поддержки режима программирования обычно располагаются на самом кристалле микросхемы, и процесс программирования.протекает следующим образом.

1) На адресные входы подается адрес выбранной ячейки.

2) Напряжение питания микросхемы +U повышается до напряжения программирования +10 V необходимого для создания тока, I ³ 400 mA достаточного для плавления перемычки.

3) На вход программирования V через резистор подется напряжение +15 V с током не более 100 mA

ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ (РПЗУ) Наибольшее распространение среди них получили ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и с электрическим стиранием и записью информации.

Микросхемы, в которых информация стирается с помощью ультрафиолетового излучения (УФППЗУ), имеют: возможность многократного программирования, достаточно малое время выборки и энергопотребление, большую емкость.

Запоминающим элементом в ПЗУ с УФ-стиранием является МОП-транзистор. Информация о содержимом данной ячейки хранится в виде заряда на втором затворе МОП-транзистора. При необходимости в перепрограммировании микросхемы предварительно записанную информацию стирают ультрафиолетовым светом c l £ 400 мкм (источником может являться лампа ДРТ220 или ДРТ375) через прозрачное кварцевое окошко на поверхности корпуса микросхемы. УФ-излучение разряжает плавающий затвор МОП-транзистора. Время сохранения информации в микросхемах ПЗУ данного типа определяется качеством призатворного диэлектрика и для современных микросхем составляет десять лет и более.

Микросхемы ПЗУ с электрическим стиранием информации популярны у разработчиков микропроцессорной техники благодаря возможности быстрого стирания и записи, большим допустимым числом циклов перезаписи информации.(10000 раз и более). Однако они достаточно дорогие и сложные по сравнению с микросхемами ПЗУ с УФ-стиранием и поэтому уступают последним по степени использования в микропроцессорной аппаратуре.

Основу запоминающей ячейки в ПЗУ с электрическим стиранием составляет МОП-транзистор с плавающим затвором, такой же, как и в ПЗУ с УФ-стиранием. Но в микросхемах данного типа технологическими методами обеспечена возможность обратного туннелирования, т.е. отбора электронов с плавающего затвора, что позволяет выборочно стирать занесенную информацию.

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, электрический аналог ферромагнетизма. Подобно тому как в ферромагнитных веществах при помещении их в магнитное поле проявляется остаточная магнитная поляризация (момент), в сегнетоэлектрических диэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникает остаточная электрическая поляризация.

Микроскопической причиной сегнетоэлектричества является наличие внутри вещества атомных (или молекулярных) диполей. Эти диполи ориентируются внешним электрическим полем и остаются ориентированными после снятия поля; переключение направления поля на противоположное приводит к обратной ориентации диполей. Принципиальное отличие сегнетоэлектричества от ферромагнетизма состоит в том, что свободные электрические заряды могут экранировать электрические поля, создаваемые электрическими диполями, а это затрудняет прямое наблюдение статической поляризации. Поляризацию обычно измеряют по так называемой петле гистерезиса. Образец помещают между пластинами конденсатора, на которые подается переменное напряжение E. На экране осциллографа регистрируется кривая зависимости заряда, возникающего на пластинах, а тем самым и электрической поляризации (поскольку заряд, отнесенный к единице площади поверхности пластин, является мерой вектора электрической поляризации P), от напряжения (поля) E. Петля гистерезиса, представленная на рис. 1, характеризуется двумя величинами: остаточной поляризацией P (любого знака), имеющейся даже при нулевом поле E, и коэрцитивным полем Ec, при котором вектор поляризации изменяет направление на обратное. Площадь петли гистерезиса равна работе электрических сил, затрачиваемой в пределах одного цикла перехода сегнетоэлектрика между двумя эквивалентными состояниями поляризации противоположного знака.

На данный момент имеется огромное количество всевозможнейших комбинаций основных элементов, из которых строится ячейка памяти – ферромагнитного сегнетоэлектрического транзистора и такого же конденсатора. Но при рассмотрении этих комбинаций можно выявить 4 основных типа, которые являются базовыми, все остальные типы ячеек FeRAM являются лишь их комбинациями. Это однотранзисторная ячейка 1Т FeRAM, одноконденсаторная ячейка 1С FeRAM, называемая еще SFRAM (statically read, non-volatile, ferroelectric random access memory - полный аналог SRAM), наиболее распространенная транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С FeRAM и наиболее стабильная из всех вышеперечисленных двойная ячейка 2T-2C FeRAM. А теперь подробнее.

Помимо этих основных структур существует огромное количество их комбинаций. Практически любой мало-мальски уважающий себя университет занимается сейчас перебором вариантов компоновки ячеек и изучением свойств этих гибридов. Защищаются дипломы на данную тему, получаются все новые и новые патенты. Рассмотреть хотя бы наиболее перспективные комбинации в рамках одной статьи - дело нереальное. Тут материала как минимум еще на одну статью, ну а пока стоит перейти к дальнейшим перспективам FeRAM.

Эта структура ячейки использовалась в одной из первых работающих моделей FeRAM, но показатели ее были не на высоте - ячейка слишком быстро теряла заряд и переходила в непредсказуемое состояние, то есть не являлась энергонезависимой, поэтому работы в области 1T были свернуты. Но сама идея оказалась живуча - ведь имея в качестве ячейки всего один транзистор можно добиться минимального ее размера и, соответственно, гигантской информационной емкости приходящейся на единицу поверхности чипа. Именно поэтому в 2002 году работы над созданием 1Т FeRAM были продолжены двумя крупнейшими японскими институтами - NERI (Nanoelectronics Research Institute) и AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology). Используя ферромагнитные сегнетоэлектрики новейшего поколения - композиционный оксид SBT (SrBi2Ta2O9) с добавлением гафния Hf и несколько модифицировав структуру полевого сегнетоэлектрического транзистора (ferroelectric gate field-effect transistor) им удалось получить 1Т структуру со значительно более долгим временем хранения заряда, на порядок больше предыдущих разработок.

Сама схема 1Т FeRAM выглядит следующим образом:

Слева приведена схема традиционной 1T-1C ячейки, справа только 1Т. Даже из принципиальной схемы явствует, что ячейка 1Т меньше и проще в исполнении по сравнению с 1T-1C, что должно положительно сказаться на себестоимости и на информационной емкости памяти на ее основе.

Сам транзистор выглядит так:

Запись в ячейку 1T FeRAM осуществляется при подаче положительного или отрицательного заряда на электроды схемы. Когда на электрод стока (drain electrode) подается напряжение +6V в канале проводника возникает пульсирующий адекватный ток соответствующий значению "1". И наоборот - после подачи отрицательного напряжения - пульсирующий ток крайне незначителен - ячейка переходит в положение "0".

На графике это выглядит следующим образом:

Как следует из этого графика разница между состоянием "0" и состоянием "1" достаточна для однозначного определения значения ячейки, а падение тока утечки незначительно - за 106 секунд (что соответствует 11,6 суткам) падение не превысило 2%.

Подводя итог, можно сказать, что данная технология вполне жизнеспособна - чрезвычайно малый размер ячеек, стабильность заряда и высокая скорость доступа к ячейкам (что может быть проще транзистора?) - вот ключевые позиции 1T FeRAM. Основной проблемой является надежность хранения заряда - память на базе 1T FeRAM теряет данные по прошествии 50-60 дней. Впрочем, для рынка мобильных компьютеров это не актуально - вряд ли у кого из владельцев КПК его любимая игрушка будет выключена более двух месяцев, а при включении заряд на транзисторах обновляется. Следовательно, создателям 1T осталось повысить надежность и, главное, реализовать все это на практике - а это похоже будет главной проблемой, ни один из крупных производителей FeRAM пока не заинтересовался этой новой реинкарнацией старой идеи, предпочитая заниматься более традиционными 1T-1C и 2Т-2C. На текущий момент не было ни одной новости о лицензировании технологии 1Т каким-нибудь крупным производителем. По-видимому, стереотипы живучи - один раз забраковав 1Т структуру, гиганты компьютерной индустрии накрепко про нее забыли. Хочется верить, что этой, как ее назвали разработчики, ultra-Gbit FeRAM, повезет с издателями, и увидим мы на прилавках дешевые емкие энергонезависимые носители информации.

Энергонезависимое сегнетоэлектрическое ОЗУ (FRAM) емкостью 16 кбит с последовательным интерфейсом и питанием 3В

Отличительные особенности:

Сегнетоэлектрическое энергонезависимое ОЗУ емкостью 16 кбит
- Организация ячеек памяти 2048 x 8
- Неограниченное количество циклов чтение/запись
- 10 летний срок хранения информации
- Запись без задержки (NoDelay™)
- Продвинутая высоконадежная сегнетоэлектрическая технология

Быстродействующий двухпроводной последовательный интерфейс
- Максимальная тактовая частота последовательной шины до 1 МГц
- Непосредственная аппаратная замена ЭППЗУ

Малая потребляемая мощность
- Работа при питании 2.7-3.6В (новая особенность)
- Активный ток - 75 мкА (100 кГц, 3В)
- Ток покоя - 1 мкА

Соответствие промышленным стандартам
- Рабочая температура: -40° C … +85° C
- 8-выв. корпус SOIC
- Доступность экологически чистого 8-выв. корпуса SOIC (новая особенность)

Структурная схема FM24CL16:

Расположение выводов FM24CL16:

Общее описание:

FM24CL16 – энергонезависимая память емкостью 16 кбит, выполненная по сегнетоэлектрической технологии. Сегнетоэлектрическое оперативное запоминающее устройство или FRAM является энергонезависимым и выполняет операции чтения и записи подобно ОЗУ. Оно обеспечивает надежное хранение информации в течение 10 лет, при устранении проблем связанных со сложностью, ограниченным быстродействием записи и уровнем системной надежности ЭППЗУ и другой энергонезависимой памяти.

В отличие от ЭППЗУ FM24CL16 выполняет операцию записи на скорости шины. При этом не возникает никаких задержек при записи.

Следующий цикл шины может быть начат немедленно без необходимости опроса данных. Кроме того, устройство обладает неограниченным количеством циклов записи, что на много порядков больше, чем у ЭППЗУ. Также FRAM потребляет гораздо меньший ток при записи, чем ЭППЗУ, которому требуется дополнительный внутренний источник питания схемы программирования.

Данные возможности делают FM24CL16 идеальным для приложений с энергонезависимым хранением информации, где требуется частая и быстрая запись данных. Примеры таких приложений простираются от накопителей данных, где время записи может быть критичным параметром, до промышленного управления, где задержки при записи в ЭППЗУ могут привести к потери информации. В совокупности данные преимущества позволяют записывать данные с большей частотой, не вызывая при этом неудобства в программировании.

FM24CL16 выпускается в стандартном промышленном 8-выв. корпусе SOIC и использует двухпроводной протокол связи. Выполнение технических характеристик гарантируется во всем промышленном температурном диапазоне -40°C … +85°C. FM24CL16 требует для питания 3В и обеспечивает быстродействие шины до 1 МГц, при этом функционально совместим с 5В версией FM24C16.

Описание выводов:

Информация для заказа:

Тонкие пленки из цирконата-титаната свинца и лантана (PLZT) активно изучаются с целью создания энергозависимых микроэлектронных ЗУ с применением кремниевой технологии. (Бистабильная поляризация – идеальная основа для двоичных ячеек памяти.)

В результате перехода технологий производства полупроводниковых изделий на процесс менее 1 мкм возникла необходимость соответствующего уменьшения напряжения питания. В настоящее время на рынке усиливается тенденция перехода от 5-вольтовых систем к 3-вольтовым. Однако, не вся компонентная база удовлетворяет данной тенденции и проектировщики систем сталкиваются со сложностью применения компонентов при использовании одного источника питания. Эта проблема даже больше касается компаний занимающихся техническим обслуживанием систем, которые экономят средства за счет перепроектирования морально устаревших 5-вольтовых частей.

Корпорация Atmel учитывала это при проектировании новой серии AT45DBXXXX семейства DataFlash с питанием только 3В. Однако, семейство 3-вольтовых DataFlash могут использоваться и в 5-вольтовых системах. Данное практическое руководство имеет целью привести рекомендации по использованию 3-вольтовых DataFlash в 5-вольтовых системах или в системах со смешанным питанием.

ШЕСТНАДЦАТЕРИЧНЫЕ ЧИСЛА

Ячейка памяти типичной микро-ЭВМ может содержать двоичное число 1001 1110. Такая длинная цепь нулей и единиц сложна для запоминания и неудобна для ввода с клавиатуры. Число 1001 1110 могло бы быть преобразовано в десятичное, что дало бы 158 10 , но процесс преобразований занял бы много времени. Большая часть систем микроинформатики использует шестнадцатеричную форму записи, чтобы упростить запоминание и использование таких двоичных чисел, как 1001 1110.

Шестнадцатеричная система счисления (hexadecimal) или система с основанием 16, использует 16 символов от О до 9 и А, В, С, D, Е, F. В табл. 2.5 приведены эквиваленты десятичных, двоичных и шестнадцатеричных чисел.

Заметим из табл. 1, что каждый шестнадцатеричный символ может быть представлен единственным сочетанием четырех бит. Таким образом, представлением двоичного числа 1001 1110 в шестнадцатеричном коде является число 9Е. Это значит, что часть 1001 двоичного числа равна 9, а часть 1110 равна Е (конечно, в шестнадцатеричном коде). Следовательно, 1001 1110 2 = 9E 16 . (Не следует забывать, что индексы означают основание системы счисления.)

Как преобразовать двоичное число 111010 в шестнадцатеричное? Надо начать с МБ и разделить двоичное число на группы из 4 бит. Затем надо заменить каждую группу из 4 бит эквивалентной шестнадцатеричной цифрой: 1010 2 =А, 0011 2 =3, следовательно, 111010 2 =3A 16.

Как преобразовать шестнадцатеричное число 7F в двоичное? В этом случае каждая шестнадцатеричная цифра должна быть заменена своим двоичным эквивалентом из 4 бит. В примере двоичное число 0111 заменено

Таблица 1. Десятичные, шестнадцатеричные и двоичные эквиваленты

Десятичные	Шестнадцатеричные	Двоичные
	A
	В
	С
	D
	E
	F

шестнадцатеричной цифрой 7, а 1111 2 заменяет F 16 , откуда 7F 16 = 11110111 2 .

Шестнадцатеричная запись широко используется для представления двоичных чисел.

Таблица 2. Преобразование шестнадцатеричного числа в десятичное

Степень шестнадцати	16 3	16 2	16 1	16 0
Значение позиции
Шестнадцатеричное		С		E
Десятичное	4096 х 2 =	256 х 12 =	16 х 6 =	1 х 14 =
	8192+	3072+	96+	14 = 11374

Преобразуем шестнадцатеричное число 2C6E в десятичное. Процедура действий соответствует табл. 2. Значениями позиций первых четырех шестнадцатеричных цифр являются соответственно слева направо 4096, 256, 16 и 1. Десятичное число содержит 14 (E 16) единиц, 6 чисел 16, 12 (С 16) чисел 256 и 2 числа 4096. Каждая цифра умножается на соответствующий ей вес, получается сумма, которая и дает нам десятичное число 11374.

Преобразуем десятичное число 15797 в шестнадцатеричное. На рис. 5 показана процедура действий. В первой строке 1579710 разделено на 16, что

15797 10:16 = 987 остаток5 10 = 5 16 МР

978 10: 16 = 61 остаток11 10 = B 16

61 10:16 = 3 остаток13 10 = D 16

3 10: 16 = 0 остаток3 10 =3 16 СР

15797 10 = 3 D B 5

Рис. 5. Десятично-шестнадцатеричное преобразование

дает частное 987 10 и остаток 5 10 , который преобразуется затем в свой шестнадцатеричный эквивалент (5 10 = 5 16) и становится цифрой младшего разряда (МР) шестнадцатеричного числа. Первое частное (987) становится делимым во второй строке и снова делится на 16, что дает частное 61 и остаток 11 10 или шестнадцатеричное В. В третьей строке 61 делится на 16, дает частное 3 и остаток 13 10 или D 16 , а в четвертой строке делимое 3 делится на 16, дает частное 0 и остаток З 10 или 3 16 . Когда частное равно 0, как в четвертой строке, преобразование заканчивается. 3 16 становится цифрой старшего разряда (СР) результата, т.е. 3DB5 16 .

Основные положения.

Память в микропроцессорной системе выполняет функцию хранения данных. Различные типы памяти предназначены для хранения различных типов данных. Подробнее это будет рассмотрено ниже.

Информация в памяти хранится в ячейках, количество разрядов которых равно количеству разрядов шины данных процессора. Обычно оно кратно восьми. Это связано с тем, что байт является восьмиразрядной единицей измерения. Поэтому объём памяти чаще всего измеряется в байтах независимо от разрядности ячейки памяти.

Допустимое количество ячеек памяти определяется количеством разрядов шины адреса как 2N, где N - количество разрядов шины адреса.

Используются также следующие более крупные единицы объема памяти: килобайт - 210=1024 байта (обозначается Кбайт), мегабайт – 220=1 048 576 байт (обозначается Мбайт), гигабайт - 230 байт (обозначается Гбайт), терабайт - 240 (обозначается Тбайт). Например, если память имеет 65 536 ячеек, каждая из которых 16-разрядная, то говорят, что память имеет объем 128 Кбайт. Совокупность ячеек памяти называется обычно пространством памятисистемы.

Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 8.1). Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 2.18).

Обычно в составе системы имеется несколько модулей памяти, каждый из которых работает в своей области пространства памяти. Селектор адреса как раз и определяет, какая область адресов пространства памяти отведена данному модулю памяти. Схема управления вырабатывает в нужные моменты сигналы разрешения работы памяти (CS – Chip Select) и сигналы разрешения записи в память (WR — Write-Read). Буферы данных передают данные от памяти к магистрали или от магистрали к памяти. В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции.

Классификация модулей памяти.

Классификация памяти необходима для более чёткого понимания того, для чего та или иная память будет использоваться.

Прежде всего, память делится на две основные подгруппы: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Постоянным запоминающим устройством называют энергонезависимую память, т.е. память, не зависящую от наличия напряжения питания на устройстве. В таком устройстве информация может храниться длительное время без подключения его к источнику питания.

Данный тип памяти предназначен для хранения информации, которая не должна быть уничтожена при пропадании питания на устройстве. К таким данным можно отнести программу для микроконтроллера, данные о настройке этой программы, различные файлы. К файлам могут относиться графические изображения, данные, снятые с датчиков и т.д.

Существует множество различных реализаций ПЗУ. В микроконтроллерах наибольшую популярность получили две технологии. Это – EEPROM (Electronically Erasable Programmable ROM – электрически стираемая программируемая энергонезависимая память) и flash (Flash Erase EEPROM).

EEPROM была разработана в 1979 году фирмой Intel. Эта память имеет возможность перепрограммирования при подключении её к стандартной шине процессора. Причём стирание любой ячейки памяти происходит автоматически при записи в неё новых данных. Т.о. в этом типе памяти существует возможность изменить информацию в одной ячейке без затрагивания соседних ячеек.

Flash память является дальнейшим развитием EEPROM. В ней используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. И другая организация доступа к ячейкам памяти. В результате чего доступ к ячейкам стал быстрее. Но стирание в flash памяти производится только для определённого блока данных, либо для всей микросхемы в целом. Стереть один элемент в ней невозможно. А так как запись в этом типе микросхемы (для типа памяти NAND) производится поэлементным «И» текущего состояния ячейки с данными которые надо записать, то верные данные будут записаны в ячейку только в том случае, если в ней будут записаны только одни единицы. Установить в ячейке единицу можно только функцией стирания. Никакой записью данных этого сделать нельзя. Следовательно, для того, чтобы записать данные в одну ячейку памяти, надо скопировать в стороннюю память весь блок, который будет стёрт, стереть его. В памяти поменять значение нужной ячейки и уже изменённый блок записать обратно.

Как можно видеть работа с отдельными ячейками данных медленная из-за необходимости каждый раз копировать и стирать целый блок данных. Но работа сразу со всем блоком на много быстрее чем в EEPROM.

Т.о. во Flash имеет смысл хранить информацию, которая будет изменяться редко (или никогда). А в EEPROM можно записывать настройки программы, которые должны сохраниться после отключения устройства от питания.

Flash память бывает двух типов – это NOR и NAND. NOR (Not OR) имеет быстрый произвольный доступ к ячейкам памяти и возможность побайтовой записи. NAND (Not AND) позволяет производить быструю запись и стирание данных, но имеет несколько большее время произвольного доступа к данным по сравнению с NOR.

Исходя из особенностей структур памяти, NAND обычно используется для хранения информации, считываемой потоком, такой как видео, музыка и т.д. NOR же используется для хранения программы, благодаря высокой скорости чтения произвольного байта данных.

ПЗУ имеет относительно низкое быстродействие и не может быть использован для хранения информации, к которой нужен быстрый доступ, такой как переменные.

Память программы начального запускавсегда выполняется на ПЗУ. Именно с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET. При наличии у микроконтроллера нескольких типов ПЗУ, зачастую существует выбор с какой из них стартовать программу. Для этого наружу выводится несколько ножек, комбинация сигналов на которых идентифицирует ту или иную ПЗУ.

Адресация в NAND.

Для примера работы с ПЗУ рассмотрим организацию памяти и обращение к ней на примере микросхемы памяти NAND.

Структура памяти NAND представлена на рис 8.2.

Память в микросхеме делится на блоки, которые в свою очередь делятся на страницы, состоящие из байт. Т.о. для полной адресации байта памяти требуется знать номер блока, номер страницы и сам адрес байта в этой странице.

Общая ёмкость памяти в этом случае равна произведению ёмкости страницы на количество страниц в блоке и на количество блоков в микросхеме памяти. Если у нас, как показано на рис 8.2, микросхема состоит из 2000 блоков, содержащих 128 страниц каждый. В странице содержится 8192 байта памяти. В итоге получаем: 8192*128*2000 = 2 Гбайта памяти. Обычно размер памяти указывают в битах. Т.е. размер рассматриваемой микросхемы составляет 16Гбит, что и будет указано у неё в документации.

Соответственно, для получения одного байта информации на выводе R/W, отвечающем за чтение запись, устанавливается сигнал, говорящий, что будет чтение. Отправляется команда запроса на чтение байта данных. Затем формируется пакет вида, как показано на рис 8.3.

В этом пакете А13-А0 – это адрес байта в странице, А20-А14 – это номер страницы, А32-А21 – это номер блока.

В ответ на этот запрос микросхема должна выдать запрошенный байт. При этом, если требуется считать несколько байт подряд, то достаточно просто продолжать считывать данные, не обновляя адрес. Микросхема автоматически увеличивает адрес на единицу при каждом чтении. Т.е. при использовании данной микросхемы выгодно читать данные сразу страницами (в нашем примере по 8192 байта).

Статьи к прочтению:

ПЗУ — Постоянное Запоминающее Устройство