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 .
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 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
Любая электроника представляет собой сложные устройства, принцип функционирования которых понятен далеко не каждому обывателю. Что такое ПЗУ и для чего необходимо данное устройство? Большинство пользователей сегодня не могут ответить на этот вопрос. Давайте попробуем исправить эту ситуацию.
Что собой представляет ПЗУ?
Чем являются ПЗУ и где они могут использоваться. Постоянные запоминающие устройства это так называемая энергонезависимая память. Чисто технически данные устройства реализованы в форме микросхем. Одновременно мы узнали, как расшифровывается аббревиатура ПЗУ. Такие микросхемы предназначены для хранения введенной пользователем информации, а также установленных программ. В ПЗУ можно найти все от документов до картинок. Информация на данной микросхеме хранится на протяжении нескольких месяцев или даже лет.
В зависимости от используемого устройства объемы памяти могут меняться от нескольких килобайт на самых простых устройствах, которые имеют всего один кристалл кремния, до терабайтов. Чем больше объем постоянного запоминающегося устройства, тем больше объектов может на нем храниться. Объем микросхемы прямо пропорционален количеству данных. Если попробовать более емко ответить на вопрос, что представляет собой ПЗУ, то можно сказать следующее: это хранилище информации, которое не зависит от постоянного напряжения.
Использование жестких дисков в качестве ПЗУ
Итак, мы уже дали ответ на вопрос, что представляет собой ПЗУ. Теперь поговорим о том, какими могут быть ПЗУ. Основное запоминающее устройство в любом компьютере — это жесткий диск. Сегодня они есть в каждом компьютере. Данный элемент используется благодаря широким возможностям накопления данных. При этом также существует ряд ПЗУ, которые используют в своем устройстве мультиплексоры. Это особые микроконтроллеры, начальные загрузчики и другие электронные механизмы. При более детальном рассмотрении, нужно не только понимать значение аббревиатуры ПЗУ. Чтобы вникнуть в тему, нужна расшифровка и других терминов.
Дополнение и расширение возможностей ПЗУ за счет использования флэш-технологий
Если пользователю не хватает стандартного объема памяти, то можно попробовать воспользоваться расширением возможностей в сфере хранения информации, предоставленных ПЗУ. Это осуществляется за счет использования современных технологий, которые реализованы в USB-накопителях и картах памяти. В основе данных технологий лежит принцип многоразового использования. Если говорить проще, то информацию на таких носителях можно затирать и снова записывать. Делать подобную операцию можно десятки и сотни тысяч раз.
Из чего состоит ПЗУ
В состав ПЗУ входит две части, которые обозначают как ПЗУ-А и ПЗУ-Э. ПЗУ-А используется для хранения программ, а ПЗУ-Э для выдачи программ. ПЗУ типа А представляет собой диодно-трансформаторную матрицу, которая прошивается при помощи адресных проводов. Данный раздел ПЗУ выполняет основную функцию. Начинка будет зависеть от материала, который использовался при изготовлении ПЗУ. Для этого могут использоваться магнитные ленты, магнитные диски, перфокарты, барабаны, ферритовые наконечники, диэлектрики с их свойством накопления электростатических зарядов.
ПЗУ: схематические строение
Данный объект электроники обычно изображается в виде устройства, напоминающее соединение некоторого количества одноразрядных ячеек. Несмотря на потенциальную сложность микросхема ПЗУ по размеру очень мала. При запоминании определенного бита информации производится запайка к корпусу (запись нуля) или к источнику питания (запись единицы). Чтобы увеличить разрядность ячеек памяти, в постоянных запоминающих устройствах схемы могут соединяться параллельно. Именно так и поступают производители с целью получения современного продукта. Ведь при использовании ПЗУ с высокими техническими характеристиками устройство будет конкурентноспособно на рынке.
Объем памяти, используемый в различных единицах техники
Объем памяти может зависеть от типа и предназначения ПЗУ. В простой бытовой технике вроде холодильников или стиральных машин будет вполне достаточно установленных микроконтроллеров. Что-то более сложное устанавливается в редких случаях. Нет смысла использовать здесь больший объем ПЗУ. Количество электроники довольно невелико. К тому же от техники не требуется выполнять сложные вычисления. Для современных телевизоров может потребоваться уже что-то более сложное. Вершиной сложности схем ПЗУ является вычислительная техника вроде серверов и персональных компьютеров. В такой технике ПЗУ вмещают в себя от нескольких гигабайт до сотен терабайт информации.
Масочное ПЗУ
Если запись осуществляется, когда запись ведется при помощи процесса металлизации и используется маска, то такое ПЗУ будет называться масочным. В них адреса ячеек памяти подаются на десять выводов. Конкретная микросхема выбирается при помощи специального сигнала CS. ПЗУ данного вида программируются на заводах. Поэтому изготавливать их в средних и мелких объемах неудобно и невыгодно. Однако при крупносерийном производстве такие устройства будут наиболее дешевыми из ПЗУ.
Это и обеспечило популярность данного типа устройств. С точки зрения схемотехнического решения такие ПЗУ отличаются от общей массы тем, что соединения в запоминающей матрице заменены на плавкие перемычки, которые изготавливаются из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки. Компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Однако во время подготовительного программирования подается повышенной напряжение.
При помощи него оставляют логические единицы. Перемычки при подачи низких напряжений испаряются. Компьютер считает, что там записан логический нуль. Такой же принцип используется и в программируемых постоянных запоминающих устройствах. Программируемые ПЗУ или ППЗУ оказались довольно удобны с точки зрения технологического изготовления. К ним можно прибегать как в средне- так и в мелкосерийном производстве. Однако у этих устройств имеются и свои ограничения. Записать программу можно только один раз, после этого перемычки навсегда испаряются.
Из-за невозможности повторно использовать ПЗУ. При ошибочной записи его приходится выбрасывать. В результате стоимость всей произведенной аппаратуры увеличивается. Из-за несовершенства производственного цикла. Данная проблема довольно долго занимала умы разработчиков. В качестве выхода из данной ситуации было решено разработать ПЗУ, которое можно многократно программировать.
ПЗУ с электрическим или ультрафиолетовым стиранием
Такие устройства создаются на базе запоминающей матрицы, в которой ячейки памяти имеют особую структуру. Каждая ячейка здесь является МОП-транзистором, затвор в котором выполнен из поликристаллического кремния. Чем-то напоминает предыдущий вариант. Особенность данных ПЗУ состоит в том, что кремний в данном случае дополнительно окружается диэлектриком, который обладает изолирующими свойствами. В качестве диэлектрика используется диоксид кремния.
Здесь принцип действия базируется на содержании индукционного заряда. Он может храниться десятки лет. Здесь есть некоторые особенности со стиранием. Так, например, для ультрафиолетового ПЗУ устройства требуется попадание УФ-лучей извне, например, от ультрафиолетовой лампы. Конечно, с точки зрения удобства эксплуатации конструкция ПЗУ с электрическим стиранием будет оптимальным вариантом. В данном случае для активации нужно просто подать напряжение. Такой принцип электрического стирания успешно реализован в таких устройствах как флэш-накопители. Однако такая схема ПЗУ структурно ничем не отличается от обычного масочного ПЗУ за исключение строения ячейки.
Такие устройства иногда еще называют репрограммируемыми. Однако при всех преимуществах устройств такого типа, есть определенные границы скорости стирания информации. Обычно, для выполнения данной операции необходимо от 10 до 30 минут. Несмотря на возможность перезаписи, у репрограммируемых устройств есть ограничения по использованию. Электроника с УФ стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. После этого разрушающее влияние ультрафиолетового излучения станет таким ощутимым, что устройство перестанет функционировать.
Такие элементы могут использоваться для хранения программ BIOS в видео и звуковых картах для дополнительных портов. Относительно возможности перезаписи оптимальным будет принцип электрического стирания. Число перезаписей в таких устройствах составляет от 100 до 500 тысяч. Конечно, можно найти устройства, которые могут работать и больше, однако обычным пользователям такие сверхъестественные возможности совершенно ни к чему.
ПЗУ. Принципы построения и
Микросхемы ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство, ROM - Read-Only Memory
Память, доступная только для чтения) представляют собой однократно программируемое устройство памяти, предназначенное для чтения информации (энергонезависимое).
Различают несколько типов ПЗУ:
ROM (Read-Only Memory, Постоянное Запоминающее Устройство, ПЗУ). Строятся на мультиплексорах или по масочной структуре (см. ниже). Программируются на заводе при производстве. Репрограммирование невозможно.
PROM (Programmable ROM, Программируемое ПЗУ, ППЗУ). В качестве элементов программирования используются специальные перемычки. Программирование заключается в разрушении или образовании перемычки. Также является однократным действием, однако, в отличие от ROM, его можно осуществить даже в домашних условиях.
EPROM (Erasable PROM, Стираемое ППЗУ, СППЗУ). Исторически явилось первым репрограммируемым ПЗУ. Технология основана на применении транзисторов с плавающим затвором. ПЗУ на основе EPROM требуют стирания старой конфигурации под воздействием
ультрафиолетового (УФ) излучения с извлечением ИМС из устройств и имеют ограничение числа циклов программировании из-за деградации свойств материалов под воздействием УФ излучения.
EEPROM (Electrically Erasable PROM, Электрически Стираемое ППЗУ, ЭС-ППЗУ). ППЗУ, очищаемое электрическими сигналами. Для обновления не требует извлечения микросхемы из устройства и допускает достаточно большое число циклов стирания.
FLASH (флэш-память). Технологически аналогична EEPROM, однако в ней используется блочный доступ к сохраняемым данным.
ROM.
Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация, как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики и BIOS в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации можно построить на мультиплексорах (рис. 1).
В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля).
Чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ, эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация, естественно, остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рис. 2.
В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация выполняется при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше, - это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в многомерную и тем самым существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Программирование ПЗУ производится на заводе – изготовителе.
PROM.
Также разработаны программируемые ПЗУ. В этих микросхемах постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подается повышенное питание. При этом если на выход микросхемы подается напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку будет протекать ток, который испарит эту перемычку, и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль. Программирование производится при помощи специального программатора.
Возможно также применение другой технологии создания PROM, когда перемычка образована трехслойным диэлектриком с чередованием слоев «оксид-нитрид-оксид». Программирующий импульс напряжения пробивает перемычку и создает проводящий канал между электродами. Величина тока, создаваемого импульсами программирования, влияет на диаметр проводящего канала, что позволяет управлять параметрами проводящей перемычки.
21 вопрос (Перепрограммируемые ПЗУ)
В перепрограммируемых ПЗУ, т.е. с изменяемым содержимым, на затворах матриц МОП-транзисторов длительное время могут храниться разряды, образующих заданный код. Все перепрограммируемые ПЗУ представляют собой МОП-приборы.
ПЗУ, программируемые маской. Самым простым видом ПЗУ является диодное ПЗУ (рис.3.41).
Рисунок 3.41 - Схема диодного ПЗУ
Выбор нужного слова производится подачей сигнала низкого уровня на соответствующую адресную шину А i . При этом диоды, соединяющие разрядные линии и выбранную адресную линию, имеют малое сопротивление, что обуславливает низкий уровень напряжения на соответствующих разрядных линиях. Если же диода в точке пересечения нет, то ток через резистор R не протекает и на выходе соответствующей разрядной линии Ш j устанавливается единичный сигнал. В ПЗУ (рис.3.41) записано восемь 3-разрядных кодов, соответствующих восьми двоичным числам от 000 до 111.
Кроме этого, матрица ПЗУ может быть построена и на МОП-транзисторах. С помощью маски для металлизации подключаются необходимые элементы.
В ПЗУ, программируемых пользователем, в отличие от ПЗУ, программируемых маской, информация может быть занесена пользователем с помощью специального пульта программирования. Применение ПЗУ такого типа целесообразно при небольшом числе БИС ПЗУ.
ПЗУ строятся на основе биполярных диодных матриц (рис.3.42) или матриц биполярных транзисторов аналогично матрице МОП-транзисторов в ПЗУ, программируемых маской. Работа ПЗУ обоих типов базируется на осаждении плавких вставок (ПВ) последовательно с переходами база-эмиттер биполярных транзисторов или p-n переходами диодов. ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при подаче импульса тока (обычно величиной 50-100 мкА и длительностью 2 мс). Как и в ПЗУ, программируемой маской, ошибки, допущенные при программировании ПЗУ рассматриваемого типа, исправить нельзя.
Рисунок 3.42 - Биполярная диодная матрица
Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) относятся к числу полупостоянных ЗУ, так как после стирания хранимой в ПЗУ информации возможно занесение в тот же накопитель новых данных. Существует два типа ППЗУ: на основе МОП-матриц и на основе ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым (УФ) облучением кристалла.
22 вопрос (Назначение и типы Flash-памяти)
На сегодня производители выпускают накопители на флэш-памяти нескольких типов: это карты Compact Flash, SmartMedia, MultiMedia Card, SecureDigital Card, Memory Stick и
ATA Flash. Первыми накопителями на флэш-памяти, появившимися рынке, были карты ATA Flash. Эти накопители изготавливаются в виде стандартных карт PC Card. Помимо микросхем флэш-памяти в них устанавливается АТА-контроллер, и при работе они эмулируют обычный IDE-диск. Интерфейс этих карт параллельный. Карты ATA Flash не получили широкого распространения и в настоящее время используются крайне редко.
Compact Flash. Карты Compact Flash (CF) были предложены компанией SanDisk в качестве более компактной и удобной в работе альтернативы картам ATA Flash. Поэтому разработчики стандарта CF предусмотрели возможность работы этих карт как устройств PC Card или как IDE-устройств. В первом случае карты работают как обычные PC Card устройства и их интерфейс «превращается» в шину PC Card. Во втором - как жесткие IDE-диски и их интерфейс работает как АТА-шина.
Карты CF впервые появились в 1994 г. Все карты этого типа имеют 50-контактный параллельный интерфейс. Кстати, существуют карты CF двух типов - Туре I и Туре II. Карты типа Туре II на два миллиметра толще и появились только потому, что раньше корпуса карт Туре I не позволяли разместить внутри флэш-память большого объема для изготовления вместительных носителей CF. В настоящее время такой необходимости нет и карты Туре II постепенно уходят с рынка. Отметим, что в накопители для карт Туре II можно устанавливать карты Туре I, тогда как обратное невозможно.
Среди флэш-карт бесспорным лидером по производительности была CF-карта Transcend Ultra Performance 25x CompactFlash 256 Мбайт, которую можно по праву считать эталоном скорострельности современных флэш-накопителей. Скорость последовательной/случайной записи у этой флэш-карты достигает 3.6/0.8 Мбайт/с, скорость чтения - 4,0/3,7 Мбайт/с.
Скорость работы CF-карт замедляется с увеличением объема, что хорошо видно на примере флэш-карт SanDisk CompactFlash 256 Мбайт и SanDisk CompactFlash 512 Мбайт. Двукратный рост емкости приводит к снижению производительности на 30%. за исключением скорости случайной записи, которая выросла в 2.5 раза, - это выглядит довольно странно и неожиданно.
Скоростные характеристики CF-карт так же сильно зависят от производителя. У Kingston CompactFlash 256 Мбайт - низкая скорость записи (последовательная/случайная запись - 1.4/0.3 Мбайт/с), но по скорости чтения она была лидером (4.4/3,8 Мбайт/с). Карта PQI Hi-Speed Compact Flash 256 Мбайт продемонстрировала среднюю производительность в обоих случаях: запись - 2.1/0.7 Мбайт/с, чтение - 3.8/3,3 Мбайт/с. Карты SanDisk CompactFlash 256 Мбайт и SanDisk CompactFlash 512 Мбайт работали очень медленно: запись - 1,1/0,2 и 0,9/0,5 Мбайт/с, чтение - 2,3/2,1 и 1,8/1,7 Мбайт/с. А карта Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт записывала и считывала данные одинаково хорошо.
Если сравнивать CF-карты с накопителями других типов, то окажется, что флэш-память - совсем на такая медленная, как это принято считать! По производительности самые быстрые образцы флэш-памяти (в качестве эталона возьмем карту Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт) сравнимы с Iomega Zip 750 Мбайт, а по скорости последовательной записи даже обгоняют этот накопитель более чем в 1,5 раза! По скорости последовательной записи флэш-память обгоняет диски CD-RW в 2 раза, по скорости последовательного чтения - на 10%! Флэш-память выигрывает у МО-дисков по скорости последовательной записи - в 2 раза - и случайного чтения - на 10%, однако отстает по скорости последовательного чтения и случайной записи - на 20%. Флэш-память отстает по скорости последовательной записи от DVD-дисков (при «прожигании» в режиме 4х) - в 1,4 раза.
Отметим, что если CF-карта используется в цифровой фотокамере, то для нее в первую очередь важна скорость последовательной записи - чем она выше, тем быстрее фотокамера вернется в рабочее состояние после «захвата» кадра и «сброса» его на флэш-карту. Впрочем, скорость чтения CF-карты в этом случае тоже важна, правда, не так критична - чем быстрее считываются данные, тем быстрее будет работать фотокамера в режиме просмотра отснятого материала.
SmartMedia. Конструкция карт SmartMedia (SM) чрезвычайно проста. В карте SM нет встроенного контроллера интерфейса и по сути - это одна или две микросхемы флэш-памяти, «упакованные» в пластиковый кожух. Стандарт SM был разработан компаниями Toshiba и Samsung в 1995 г. Интерфейс карт SM - параллельный, 22-контактный, но из них для передачи данных используется только восемь линий.
MultiMedia Card. Карты Multi-Media Card (MMC) имеют 7-контактный последовательный интерфейс, который может работать на частоте до 20 МГц. Внутри пластикового корпуса карты размещается микросхема флэш-памяти и контроллер ММС-интерфейса. Стандарт ММС предложен в 1997 г. компаниями Hitachi, SanDisk и Siemens.
SecureDigital Card. SecureDigi-tal Card (SD) - самый молодой стандарт флэш-карт: он был разработан в 2000 г. компаниями Matsushita, SanDisk и Toshiba. Фактически SD - это дальнейшее развитие стандарта ММС, поэтому карты ММС можно устанавливать в накопители SD (обратное будет неверным). Интерфейс SD - 9-контактный, последовательно-параллельный (данные могут передаваться по одной, двум или четырем линиям одновременно), работает на частоте до 25 МГц. Карты SD оснащаются переключателем для защиты их содержимого от записи (стандартом также предусмотрена модификация без такого переключателя).
USB-флэш-память. USB-флэш-память (USB-память) - совершенно новый тип носителей на флэш-памяти, появившийся на рынке в 2001 г. По форме USB-память напоминает брелок продолговатой формы, состоящий из двух половинок - защитного колпачка и собственно накопителя с USB-разъемом (внутри него размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB-контроллер).
Работать с USB-памятью очень удобно - для этого не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно иметь под рукой ПК под управлением Windows с незанятым USB-портом, чтобы за пару минут «добраться» до содержимого этого накопителя. В худшем случае вам придется установить драйверы USB-памяти, в лучшем - новое USB-уст-ройство и логический диск появятся в системе автоматически. Возможно, что в будущем USB-память станет основным типом устройств для хранения и переноса небольших объемов данных.
Что же касается USB-флэш-памяти, то это, несомненно, более удобное решение для переноса данных, чем флэш-карты, - не требуется дополнительный флэш-накопитель. Однако производительность протестированных накопителей этого типа - Transcend JetFlash 256 Мбайт и Transcend JetFlashA 256 Мбайт - ограничивалась низкой пропускной способностью интерфейса USB 1.1. поэтому их показатели в тестах на скорость работы были довольно скромными. Если USB-флэш-память оснастить быстрым интерфейсом USB 2.0, то по «скорострельности» эти накопители, конечно, не уступят лучшим флэш-картам.
Интересно отметить, что по скорости последовательной записи флэш-память превосходит Iomega Zip 750, диски CD-RW и МО-носители и уступает только DVD-дискам. Это лишний раз подчеркивает, что разработчики флэш-памяти в первую очередь стремились увеличить скорость последовательной записи, поскольку флэш-память изначально предназначена для использования в цифровых фотокамерах, где прежде всего важен этот показатель.
В итоге можно заключить, что флэш-память - бесспорный лидер по надежности, мобильности и энергопотреблению среди накопителей небольшой и средней емкости, обладающий к тому же неплохим быстродействием и достаточным объемом (на сегодня на рынке уже доступны флэш-карты емкостью до 2 Гбайт). Несомненно, это очень перспективный тип, однако их широкое использование пока сдерживается высокими ценами.
23 вопрос (Программное обеспечение ПЗУ IBM PC. Программы POST, Boot Loader)
загрузочные устройства (IBM PC)
Загрузочное устройство это устройство, с которого загружается операционная система. Современные BIOS компьютер поддерживает загрузку с различных устройств, как правило, местные жесткий диск (или одной из нескольких разделах на таком диске), оптических дисков, устройств USB (флэш-диск, жесткий диск, оптический привод диска и т.д.), или карта сетевого интерфейса (с использованием PXE). Раньше, менее распространенными загрузочными устройствами включать дисководы гибких дисков, SCSI устройствах, Zip дисков, и LS-120 дисков.
Как правило, BIOS позволяет пользователю настроить порядок загрузки. Если порядок загрузки установлен в положение "Во-первых, привод DVD-вторых, жесткий диск", то BIOS будет пытаться загрузить с диска DVD, и если это не удается (например, из-за отсутствия DVD в привод), она будет пытаться загрузиться с локального жесткого диска.
Например, на компьютере с Windows XP, установленной на жесткий диск, пользователь может установить порядок загрузки к приведенному выше, а затем вставить GNU / Linux Live CD, с тем чтобы попробовать Linux без необходимости устанавливать операционную систему на жесткий диск. Это является примером двойной загрузкой - пользователю выбор, какую операционную систему для запуска после того, как компьютер выполняет свою самотестирования. В этом примере двойной загрузкой, пользователь выбирает, вставляя или вынимая компакт-диск из компьютера, но он является более общим, чтобы выбрать, какую операционную систему для загрузки, выбрав из меню с помощью клавиатуры компьютера. (Обычно F11 или ESC
После запуска, персональный компьютер "S x86 процессор выполняет инструкцию находится в памяти CS: IP FFFF: 0000 в BIOS, который находится на 0xFFFF0 адрес. Эта память места близок к концу 1 Мбайт системной памяти доступна в реальном режиме. Обычно он содержит инструкцию, которая Перейти выполнение переводов на место BIOS запуске программы. Эта программа запускается при включении питания самотестирования (POST) для проверки и инициализации необходимых устройств. BIOS проходит через предварительно настроен список Non-Volatile устройств хранения информации ("Boot Device последовательность"), пока не обнаружит, что является загрузочным. Загрузочные устройства определяется как вывод, который можно читать, а последние два байта первого сектора содержать слова 0xAA55 (также известный как загрузочный подпись).
После того как нашла BIOS загрузочного устройства он загружает загрузочный сектор в шестнадцатеричный сегмента: офсетная адресу 0000:7 C00 или 07c0: 0000 (карты с тем же адресом Ultimate) и передает на исполнение загрузочного кода. В случае с жестким диском, это называется основной загрузочной записи (MBR) и часто не конкретной операционной системы. Код MBR обычной проверки таблицы разделов МБР для раздела, установить в качестве загрузочного (один с флагом активности) Если найден активный раздел, MBR код загружает кода загрузочного сектора от этого раздела и выполняет его. Загрузочный сектор часто операционная система конкретного, однако в большинстве операционных систем, его основная функция заключается в загрузке и исполнять операционную систему ядра, которое продолжается при запуске. Если нет активных разделов, или загрузочный сектор активного раздела является недействительным, MBR может загрузить вторичный загрузчик который будет выбрать раздел (нередко с помощью пользовательского ввода) и загружает загрузочный сектор, который обычно загружает соответствующие ядра операционной системы.
В некоторых системах (в частности, новых Макинтошей) использовать Intel "S собственного EFI. Также Coreboot позволяет компьютеру загрузиться без сверхсложных прошивка / BIOS Постоянно работает в режиме управления системой. Наследие 16-битный интерфейс BIOS требуются определенные x86 операционных систем, таких как Windows XP, Vista, и 7. Однако большинство загрузчиков имеют 16-битную поддержку для этих унаследованных системах BIOS.
В старых компьютерах Windows, особенно те, кто управлял Windows 9x, если чипов BIOS присутствует, то он может или не может показать экран подробные BIOS производитель чипов, авторские права состоялась производитель чипа и идентификатор чипа при запуске. В то же время, она также показывает объем доступной памяти компьютера и других частей кода Отображение информации о компьютере.
