Репрограммируемые ПЗУ

Вступление

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими цифровыми устройствами (ЦУ). Микросхемы памяти в общем объеме выпуска интегральных схем занимают от 40% до 70% и играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Основная функция микросхем памяти заключается в адресуемой записи, считывании информации и её хранении. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ. Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Так, например, большая информационная емкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому системам памяти свойственна многоступенчатая иерархическая структура, и в зависимости от роли того или иного ЗУ его реализация может быть существенно различной. Нужно отметить, что от параметров запоминающих устройств в значительной степени зависят технические характеристики вычислительных средств.

Место РПЗУ в иерархии запоминающих устройств

Для классификации ЗУ (рис. 1) важнейшим признаком является способ доступа к данным. Полупроводниковые ЗУ делятся на адресные, последовательные и ассоциативные. При адресном доступе код на адресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен. Все ячейки адресной памяти в момент обращения равнодос­тупны. Эти ЗУ наиболее разработаны, и другие виды памяти часто строят на основе адресной с соответствующими модификациями. Адресные ЗУ делятся на RAM (Random Access Memory) и ROM (Read-Only Memory).

Рис. 1. Виды адресных запоминающих устройств

Русские синонимы термина RAM: ОЗУ (оперативные ЗУ) или ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой). Оперативные ЗУ хранят данные, уча­ствующие в обмене при исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольный момент времени. Запоминающие элементы ОЗУ, как правило, не обладают энергонезависимостью. В ROM (русский эквивалент — ПЗУ, т. е. постоянные ЗУ) содержимое либо вообще не изменяется либо изменяется, но редко и в специальном режиме. Для рабочего режима это "память только для чтения. RАМ делятся на статические и динамические. В первом варианте запоми­нающими элементами являются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных. Во втором варианте данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторов ведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться. В то же время плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз превышает плотность упаковки, дости­жимую в статических RAM. Регенерация данных в динамических ЗУ осуществляется с помощью специ­альных контроллеров. Разработаны также ЗУ с динамическими запоминаю­щими элементами имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, у которых внешнее поведение относительно управляющих сигналов стано­вится аналогичным поведению статических ЗУ. Такие ЗУ называют квази­статическими. Статические ЗУ называются SRAM (Static RAM), а динамические — DRAM (Dynamic RAM). Статические ОЗУ можно разделить на асинхронные, тактируемые и син­хронные (конвейерные). В асинхронных сигналы управления могут задаваться как импульсами так уровнями. Например, сигнал разрешения работы CS может оставаться неизменным и разрешающим на протяжении многих цик­лов обращения к памяти. В тактируемых ЗУ некоторые сигналы обязатель­но должны быть импульсными, например, сигнал разрешения работы CS в каждом цикле обращения к памяти должен переходить из пассивного со­стояния в активное (должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле). Этот тип ЗУ называют часто синхронным. Здесь использован тер­мин "тактируемые", чтобы "освободить" термин "синхронные" для новых типов ЗУ, в которых организован конвейерный тракт передачи данных, син­хронизируемый от тактовой системы процессора, что дает повышение темпа передач данных в несколько раз. Динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невы­сокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная палять ЭВМ. Статические ЗУ в 4 .5 раз дороже динамических и приблизительно во столько же раз меньше по информационной емкости. Их достоинством яв­ляется высокое быстродействие, а типичной областью использования — схемы кэш-памяти. Постоянная память типа ROM(М) программируется при изготовлении методами интегральной технологии с помощью одной из используемых при этом масок. В русском языке ее можно назвать памятью типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). Для потребителя это в полном смысле слова постоянная память, т. к. изменить ее содержимое он не может.

В следующих трех разновидностях ROM в обозначениях присутствует буква Р (от Programmable). Это программируемая пользователем память (в русской тер­минологии ППЗУ - программируемые ПЗУ) Ее содержимое записывается либо однократно (в ROM) либо может быть заменено путем стирания ста­рой информации и записи новой (в EPROM и EEPROM). В EPROM стира­ние выполняется с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми луча­ми, ее русское название РПЗУ-УФ (репрограммируемое ПЗУ с УФ-стиранием). В EEPROM стирание производится электрическими сигналами. ее русское название РПЗУ-ЭС (репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием). Английские названия расшифровываются как Electrically Programmable ROM и Electrically Erasable Programmable ROM. Программиро­вание FROM и репрограммирование EPROM и EEPROM производятся в обычных лабораторных условиях с помощью либо специальных программато­ров, либо специальных режимов без специальных приборов (для EEPROM). Запись данных и для EPROM и для EЕPROM производится электрическими сигналами. В ЗУ с последовательным доступом записываемые данные образуют некото­рую очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи, либо в обратном порядке. Память типа Flash по запоминающему элементу подобна памяти типа EEPROM, но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид.

Устройство РПЗУ

Устройство микросхем РПЗУ. Основная отличительная особенность микро­схем РПЗУ заключается в их способности к многократному (от 10 до 10 тыс.) перепрограммированию, которое осуществляет пользователь. Это свойство мик­росхемы имеют благодаря применению элементов памяти с возможностью уп­равляемой перемычки. Функции таких элементов памяти выполняют транзисторы со структурой МНОП (Металл Al — Нитрид кремния SiN4 — Окисел крем­ния Si02—Полупроводник Si) или транзисторы со структурой ЛИЗМОП (Металл – Окисел кремния – Полупроводник с Лавинной Инжекцией Заряда). Микросхемы РПЗУ подразделяют на две группы: стираемые электрическим сигналом (ЭСППЗУ) и стираемые УФ излучением (СППЗУ). Микросхемы ЭСППЗУ содержат элементы памяти типа МНОП или ЛИЗМОП с двойным затвором. В микросхемах СППЗУ применяется также ЛИЗМОП - элемент памяти с двойным затвором, отличающийся от аналогичных ЭП в микросхемах ЭСППЗУ тем, что требует для стирания УФ излучение. Элемент памяти со структурой МНОП представляет собой МОП-транзис­тор с индуцированным каналом n – или р – типа, имеющий двуслой­ный диэлектрик под затвором. Верхний слой сформирован из нитрида кремния, нижний—из окисла кремния, причем нижний слой значительно тоньше верх­него. Если к затвору относительно подложки приложить импульс напряжения положительной полярности с амплитудой 30 . 40 В, то под действием сильного электрического поля между затвором и подложкой электроны получат доста­точную энергию, чтобы преодолеть тонкий диэлектрический слой и попасть на границу раздела двух диэлектриков. Поскольку верхний слой имеет значитель­ную толщину, то электроны не могут его пройти и накапливаются внутри подзатворного слоя. Накопленный под затвором заряд электронов снижает пороговое напря­жение МНОП-транзистора и тем самым смещает передаточную характеристику влево (рис. 2). Состояние ЭП с зарядом под затвором соответствует лог. 1. Состояние ЭП без заряда под затвором соответствует лог. 0.

1	2	3