Полтавський ВійськовийІнститут Зв’язку
Кафедра схемотехніки радіоелектроннихсистемОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТАМІКРОПРОЦЕСОРИ
напрям підготовки 0924 «Телекомунікації»
Постійні запам’ятовувальні пристрої.
Полтава – 2006
Навчальна література.
1. Мікропроцесорна техніка: Підручник/ Ю.І.Якименко та інш. – К.: ІВЦ Політехніка; Кондор, 2004. с. 189 – 217.
2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехніка. – СПб.:БХВ-Петербург, 2002. с. 195 – 216.
3. Мюллер, Скотт. Модернизация и ремонт ПК,16-е изд. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. с. 429 – 487.
ВСТУП.
Постійні запам'ятовуючіпристрої призначені для зберігання одноразово записаної до них інформації, якамає зберігатися навіть за умов знеструмлення комп'ютеру. Такою інформацією є,наприклад, дані і програми, потрібні для завантаження операційної системи такерування роботою зовнішніх пристроїв комп'ютеру (BIOS). Таким чином, постійнийзапам'ятовуючий пристрій– це пам'ять комп'ютера, призначена длязберігання службових програм і даних, які не можуть бути змінені у процесі йогороботи.
Для позначенняПЗП застосовується абревіатура ROM, яка відображає функціональнепризначення ПЗП: (Read-Only Memory) – пам'ять тільки для читання.
Постійні запам'ятовуючіпристрої мають більше варіантів побудови ніж оперативні. Мікросхеми пам'яті розташовуютьсяна системній платі комп'ютера, на платі контролерів зовнішніх пристроїв,відеоадаптера та взагалі у контролерах усіх пристроїв комп'ютера, що маютьвласні керуючі процесори (мікроконтролери). Усі ПЗПєенергонезалежними.
1. Класифікація та характеристики сучасних ПЗП
За способоморганізації доступу до пам'яті ПЗП – це пристрої з безпосереднім(довільним) доступом.
За методом пошуку необхідного слова (необхідної ділянки) – це адресні пристрої (тобтоінформація відшукується за вказаною адресою).
По типу фізичного середовища, яке здійснює зберігання інформації, ПЗП, як правило єнапівпровідниковими пристроями.
За способом зберігання інформації ПЗП мають статичну пам'ять.
За способом запису (перезапису) інформації ПЗП можна класифікувати згідно рис. 1.
/>
Рис.1 Класифікація ПЗП за способом запису(перезапису) інформації.
Основними характеристиками мікросхем постійної пам’ятіє:
1. Ємність(Обсяг пам'яті). Нагадаємо, що загальна ємність мікросхеми пам’яті цедобуток глибини адресного простору (Depth Adress – кількість бітінформації, яке зберігається в комірках кожної матриці) на кількість лінійвводу/виводу (розрядів). Для сучасних ПЗП, в залежності від призначення цейпоказник може змінюватися в широких межах від декількох Кбайт до декількохГбайт (FLASH пам’ять).
2. Розрядність. Нагадаємо, що цей показник визначається кількістю бітіврозміщених в комірках пам’яті.
3. Швидкодія. Визначається часом доступу для операцій запису або читанняінформації. Для сучасних ПЗП він складає одиниці-десятки мкс.
4. Часова діаграма. (або кількість тактів, які необхідні МП для виконання операційзапису або зчитування даних. Читання даних з ПЗП, звичайно, потребує двох тактів.
6. Кількість циклів запису – стирання (Для РПЗП).До 106.
7. Час стирання мікросхеми. Менше 10 мс (для ЕЕРROM).
8. Надійність. Інформаціяможе зберігатися десятки років.
2. Маскові постійні запам’ятовувальні пристрої.
Самі прості з ПЗП — маскові. Головноювластивістю маскових ПЗП є те, що інформація до них записується ще на етапівиготовлення кристалу мікросхеми пам’яті. Для цього використовують спеціальнімаски (шаблони), які визначають порядок з'єднань між елементами пам'яті нанапівпровідниковому кристалі. Зрозуміло, що таким чином не варто виготовлятидекілька сотень мікросхем – мова йде про дійсно великі партії. Саме таквиготовляють пам'ять для застосування у автоматах з жорсткою логікою (на зразокпральних машин або відеоплеєрів), для запису програм управління роботоюклавіатури, монітора, для використання у якості таблиці знакогенератораматричного принтера, навіть деякі з перших програм керування роботою системноїплати ЕОМ – BIOS, були записані до мікросхем такого типу ПЗП.
/>Розглянемо більш детальнопобудову модулів маскових ПЗП. На рис 2. зображено УГП ПЗП на вісім однорозряднихкомірок. Запис конкретного біта в однорозрядну комірку здійснюється підключеннямдроту до джерела живлення (запис одиниці) або підключенням дроту до корпусу(запис нуля). Адреси комірок пам’яті в цій мікросхемі подаються на выводи A0… A2. Мікросхема вибирається сигналом CS. Читання мікросхемивідбувається сигналом RD.
Для збільшення розрядності комірки пам'яті ПЗП ці мікросхеми з’єднуютьпаралельно. Схема паралельного з’єднання однорозрядних ПЗП приведена на рис. 3.
/>
Рис. 3. Схема багаторозрядного ПЗП.
Для зменшення об’єму схеми дешифратора, необхідного для роботи ПЗП,застосовують мультиплексор, що виконує і функцію вибору стовпчика матриціелементів, і забезпечує читання інформації шляхом комутації вибраного стовпчиказ виходом схеми. Вибір рядка, як звичайно, виконується дешифратором. Такаструктура має назву 2DM і зображена на рис. 4.
/> />/>
Рис. 4. Схема маскового постійного запам’ятовуючогопристрою (структура 2DM).
3. Програмувальні постійнізапам’ятовувальні пристрої.
Більш складний варіант –одноразово програмовані ПЗП. Ця мікросхема має практично ту ж саму структуру,що й масочні ПЗП, але у неї є одна дуже суттєва відмінність: вонавиготовляється виробниками «порожньою» і розробники різноманітноїкомп'ютерної техніки можуть записувати інформацію до неї самостійно (звичайноза умов наявності спеціального обладнання). Програмування таких ПЗПвідбувається шляхом електричного перепалення перемичок у мікросхемі або шляхомвипалення керуючого переходу у транзисторах. Зрозуміло, що єдиний шляхвиправити помилку програмування такого ПЗП – це викинути його у смітник і«пропалити» новий. Такі мікросхеми називаютьсяпрограмовані ПЗП (ППЗП) і зображаються на принципових схемах як показанона рис. 5.
/>Програмовані ПЗПвиявилися дуже зручними для малосерійного и середньосерійного виробництва. Алеж при розробці радіоелектронних пристроїв часто приходиться змінювати записанув ПЗП програму. Тому з’явився наступний варіант ПЗП – репрограмовані, які дозволяютьбагаторазово змінювати записану у ПЗП інформацію за умов попереднього стираннястарої.
4. Репрограмувальні постійнізапам’ятовувальні пристрої.
Взалежності від методу стирання старої інформації розрізняють репрограмованіПЗП з електричним та ультрафіолетовим стиранням (ПЗП типу ЕРROMта ЕЕРROM).
Мікросхеми зультрафіолетовим стиранням – ЕРROM використовуютьявище зміни структури польового переходу при впливі на нього доволі високоюнапругою. Ці зміни зберігаються протягом досить тривалого часу. При цьомуможливе стирання записаної інформації шляхом опромінення кристалу мікросхемипам'яті через спеціальний отвір у вигляді скляного віконця. Таки ПЗПзастосовували у перших поколіннях різноманітних контролерів заради надання можливостімодернізації програм, записаних до них.
/>Комірка пам’яті репрограмованогоПЗП (рис. 6) являє собою МОН — транзистор, в якому затвор виконується із полікристалічногокремнію. Потім в процесі виготовлення мікросхеми цей затвор окислюється і врезультаті він буде оточений оксидом кремнію – якісним діелектриком. В такійкомірці при повністю стертому ПЗП заряду в плаваючому затворі немає, і томутранзистор струм не проводить. При програмуванні мікросхеми на другий затвор, якийзнаходиться над плаваючим затвором, подається висока напруга і в плаваючийзатвор за рахунок тунельного ефекту індукуються заряди. Після зняття програмуючоїнапруги на плаваючому затворі індукований заряд залишається, тобто транзистор залишаєтьсяв провідному стані. Заряд на плаваючому затворі може зберігатися десятки років.
Структурна схема даного ПЗП не відрізняється від попередньогомасочного ПЗП. Єдине, що замість перемички використовується описана вище комірка.При опромінюванні мікросхеми, ізолюючі властивості оксиду кремнію втрачаються ізаряд із плаваючого затвора витікає в об’єм напівпровідника і транзистор запам’ятовуючоїкомірки переходить в закритий стан. Час стирання мікросхеми коливається в межах10 – 30 хвилин. Кількість циклів запису — стирання знаходиться в діапазоні від10 до 100 разів, після чого мікросхема виходить з ладу. Репрограмовані ПЗПзображаються на принципових схемах як показано на рис. 7.
/>/>Мікросхеми зелектричним стиранням — ЕЕРROM (УГП зображено на рис. 8) використовуютьтой самий ефект, що й ПЗП з ультрафіолетовим стиранням, але стираннявідбувається за допомогою імпульсу відносно високої напруги на відповідний вхідмікросхеми.У багатьох ПЗП цього типу навіть передбачена частковазаміна інформації. Такі мікросхеми знайшли своє застосування там же де ймікросхеми з ультрафіолетовим стиранням. Але треба прийняти до уваги, що вонизначно дорожчі ніж останні.
/>
Рис. 8. УГП ПЗП з електричним стиранням.
FLASH пам’ять.
Зараз набув дуже широкогорозповсюдження новий клас ПЗП з електричним стиранням, який отримав назвуфлеш-пам'яті (від англійського flash – спалах, блискавка). Його в певніймірі можна розглядати як симбіоз ОЗП та ПЗП, через те, що він має швидкодію, щонаближується до показників ОЗП, і в той же час є енергонезалежним ЗПЕЕРROM (УГПзображено на рис. 9).
Справа у тому, що коміркипам'яті у ОЗП та ПЗП мають вигляд двомірного масиву, що дозволяє читати іписати кожен біт окремо. На відміну від них, флеш-пам'ять, яка вперше булазапропонована компанією TOSHIBA виготовлена у вигляді блоків місткістювід 512 б до 256 Кб. Такі блоки записуються та стираються за один машиннийтакт, через що вони працюють набагато швидше ніж ПЗП з електричним стиранням.Крім того, для запису даних до флеш-пам'яті не потрібна додаткова напруга, щодає змогу робити це там, де вона встановлена. В той же час для запису ПЗП зелектричним стиранням потрібне спеціальне обладнання. Нажаль цей тип пам'яті непридатний для використання у якості ОЗП, якщо передбачається побайтовий записінформації. Справа в тому, що для зміни одного байту потрібно переписати вбуфер увесь блок, де утримається цей байт, потім стерти вміст блоку, змінитивміст байта, після чого провести запис зміненого в буфері блоку. Така схемазначно знижує швидкість запису невеликих об’ємів інформації в довільні ділянкипам’яті, але ж значно збільшує швидкодію при послідовному запису даних великимипорціями. Її життєвий цикл суттєво менший за цикл мікросхем ОЗП – усього лиш100-300 тисяч циклів перезапису. Флеш-пам'ять використовують для записупрограми BIOS (таким чином спрощується її модернізація – upgrade),там де неможливо використовувати накопичувачі на жорстких дисках. Цей типпам'яті випускають у вигляді так-званих флеш-карт з обсягом до одиниць Гб, які застосовуються у сучаснихкишенькових комп'ютерах, цифрових фотокамерах та диктофонах, електроннихорганайзерах.
Організація FLASH пам’яті.
КоміркаFLASH — пам’яті складається із МОН транзистора з плаваючим затвором, тобто затехнологією виготовлення подібна комірці пам’яті ЕРROM та ЕЕРROMПЗП. Але ж за рахунок застосування надтонкого шару діелектрика запис тастирання (інжекція заряду методом СНЕ (channel hot electrons) або йогоекстракція методами тунелювання) здійснюється без застосування підвищенихнапруг. Одна комірка зберігає один біт інформації (в сучасних розробках два,так звані багаторівневі комірки MLC) і, як правило, наявність зарядусприймається як логічний 0, відсутність як логічна 1.
При читанні, в відсутності заряду на плаваючому затворі, під дієюдодатного поля на керуючому затворі, утворюється n-канал між витоком істоком, і виникає струм (логічна 1). При наявності заряду канал не з’являєтьсяі струм не виникає (логічний 0).
Архітектура (організація з’єднань між комірками) FLASH пам’яті.
Найбільшрозповсюдженими на даний момент є мікросхеми з організацією NOR і NAND.
АрхітектураNOR (NOТ OR, АБО-НІ).
Кожнакомірка підключена до двох перпендикулярних ліній – бітів (bit line) таслів (word line) (рис. 10). Усі комірки пам’яті NOR, згідноправилам, підключені до своїх бітових ліній паралельно. Суть логічної операції NOR– в переході лінії бітів у стан 0, якщо хоча б один з транзисторів-комірок,приєднаних до неї, проводить струм. Селекція комірки здійснюється за допомогоюлінії слів.
Інтерфейспаралельний. Довільне читання та запис. Швидкий довільний доступ, можливістьзапису побайтно. Відносно повільний запис і стирання.
/>
Рис. 10. Структура комірки FLASH- пам’яті.
АрхітектураNAND (NOТ AND, ТА-НІ).
Вцьому випадку бітова лінія переходить у стан 0, якщо всі транзистори, якіпідключені до неї проводять струм. Комірки приєднуються до бітової лініїсеріями, що знижує швидкість операції читання (зменшується струм кожноїкомірки), але ж підвищується швидкість стирання та програмування. Для зменшеннянегативного ефекту низької швидкості читання, чіпи NAND мають внутрішнійрегістровий кеш. В цій архітектурі більш компактна упаковка ніж в паралельнійархітектурі NOR.
Інтерфейспослідовний. Швидкий запис та стирання, невеликий розмір блока. Повільнийдовільний доступ, але ж невеликими блоками. Немає можливості запису побайтно.
АрхітектуриAND (ТА), DINOR (DIVIDED BIT-LINE NOR, АБО-НІ зрозділеними розрядними лініями).
Типипам’яті, які комбінують найкращі властивості властивостей NOR і NAND.Невеликий розмір блоку, мультиблочне стирання, зберігає комірки відпережигання.
Узаключній частині заняття викладач підводитьпідсумки заняття, звертає увагу курсантів на основні питання, винесені назаняття, рекомендує, які питання буде доцільно додатково розглянути насамостійній підготовці та повідомляє перелік рекомендованої літератури. Крімтого, слід підкреслити, що наступне заняття є семінарським та видати план йогопроведення.
ВИСНОВОК
Постійнізапам'ятовуючі пристрої (ПЗП) є важливою частиною мікропроцесорних систем(МПС). Вони призначені для зберігання та читання інформації, якавикористовується процесором.
Розрізняють такі типи ПЗП:
· ROM;
· РROM;
· ЕРROM;
· ЕЕРROM;
· FLASHпам’ять.
Постійна пам’ять є енергонезалежною,тобто інформація в ПЗП не зникає після знеструмлення комп’ютера. Областьвикористання ПЗП – це BIOS, карти пам’яті.
ПЗП, постійно вдосконалюютьсяна технологічному, апаратному, архітектурному рівнях.