Репрограммируемые ПЗУ

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена еюс другими цифровыми устройствами (ЦУ)
Реферат
Репрограммируемые ПЗУ
Выполнил:
студент гр. РЭ-03-1      
Краснобаев Ю. О.
 
Проверил:
доц. каф.радиоэлектроники
Колбунов В. Р.
Днепропетровск — 2007
Вступление
Запоминающиеустройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими цифровымиустройствами (ЦУ). Микросхемы памяти в общем объеме выпуска интегральных схемзанимают от40% до 70%и играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Основная функция микросхем памятизаключается в адресуемой записи,считывании информации и её хранении. Микросхемыи системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии,так и в области развития новых архитектур. В настоящее время созданы ииспользуются десятки различных типов ЗУ. Важнейшие параметры ЗУ находятся впротиворечии. Так, например, большая информационная емкость не сочетается свысоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкойстоимостью. Поэтому системам памяти свойственна многоступенчатая иерархическаяструктура, и в зависимости от роли того или иного ЗУ его реализация может бытьсущественно различной. Нужно отметить, что от параметров запоминающих устройствв значительной степени зависят технические характеристики вычислительныхсредств.
Место РПЗУ  в иерархии запоминающих устройств
 Для классификации ЗУ (рис. 1) важнейшимпризнаком является способ доступа к данным. Полупроводниковые ЗУ делятся наадресные, последовательные и ассоциативные. При адресном доступе код наадресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен. Все ячейки адреснойпамяти в момент обращения равнодос­тупны. Эти ЗУ наиболее разработаны, и другиевиды 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 (ЗУс произвольной выборкой). Оперативные ЗУ хранят данные, уча­ствующие в обменепри исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольныймомент 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 ив специальном режиме. Для рабочего режима это «память только для чтения. RАМ делятся на статические идинамические. В первом варианте запоми­нающими элементами являются триггеры,сохраняющие свое состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записиданных. Во втором варианте данные хранятся в виде зарядов конденсаторов,образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторовведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколькомиллисекунд) регенерироваться. В то же время плотность упаковки динамическихэлементов памяти в несколько раз превышает плотность упаковки, дости­жимую встатических RAM.Регенерация данных в динамических ЗУ осуществляется с помощью специ­альныхконтроллеров. Разработаны также ЗУ с динамическими запоминаю­щими элементамиимеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, у которых внешнее поведениеотносительно управляющих сигналов стано­вится аналогичным поведению статическихЗУ. Такие ЗУ называют квази­статическими. Статические ЗУ называются SRAM (Static RAM), а динамические — DRAM (Dynamic RAM). Статические ОЗУ можно разделитьна асинхронные, тактируемые и син­хронные (конвейерные). В асинхронных сигналыуправления могут задаваться как импульсами так уровнями. Например, сигналразрешения работы CSможетоставаться 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 циклеобращения к памяти должен переходить из пассивного со­стояния в активное(должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле). Этот тип ЗУ называютчасто синхронным. Здесь использован тер­мин „тактируемые“, чтобы»освободить" термин «синхронные» для новых типов ЗУ, вкоторых организован конвейерный тракт передачи данных, син­хронизируемый оттактовой системы процессора, что дает повышение темпа передач данных внесколько раз. Динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационнойемкостью и невы­сокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная палять ЭВМ. Статические ЗУ в 4...5 раз дороже динамическихи приблизительно во столько же раз меньше по информационной емкости. Ихдостоинством яв­ляется высокое быстродействие, а типичной областью использования— схемы кэш-памяти. Постоянная память типа ROM(М) программируется при изготовленииметодами интегральной технологии с помощью одной из используемых при этоммасок. В русском языке ее можно назвать памятью типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). Дляпотребителя это в полном смысле слова постоянная память, т. к. изменить еесодержимое он не может.
Вследующих трех разновидностях ROMв обозначениях присутствует буква Р (от Programmable). Это программируемаяпользователем память (в русской тер­минологии ППЗУ — программируемые ПЗУ) Еесодержимое записывается либо однократно (в ROM) либо может быть заменено путемстирания ста­рой информации и записи новой (в EPROM и EEPROM). В EPROM стира­ние выполняется с помощьюоблучения кристалла ультрафиолетовыми луча­ми, ее русское название РПЗУ-УФ (репрограммируемое ПЗУ с УФ-стиранием).В EEPROMстирание 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. Программиро­ваниеFROMи репрограммирование EPROM и EEPROM производятся в обычных лабораторныхусловиях с помощью либо специальных программато­ров, либо специальных режимовбез специальных приборов (для EEPROM).Запись данных и для EPROM и для EЕPROM производится электрическими сигналами.В ЗУ с последовательным доступом записываемые данные образуют некото­руюочередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядкезаписи, либо в обратном порядке. Память типа Flash по запоминающему элементу подобнапамяти типа EEPROM,но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее вотдельный вид.
УстройствоРПЗУ
Устройствомикросхем РПЗУ. Основная отличительная особенность микро­схем РПЗУ заключаетсяв их способности к многократному (от 10 до 10 тыс.) перепрограммированию,которое осуществляет пользователь. Это свойство мик­росхемы имеют благодаряприменению элементов памяти с возможностью уп­равляемой перемычки. Функциитаких 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 сЛавинной 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 двойнымзатвором. В микросхемах СППЗУ применяется также ЛИЗМОП — элемент памяти сдвойным затвором, отличающийся от аналогичных ЭП в микросхемах ЭСППЗУ тем, чтотребует для стирания УФ излучение. Элемент памяти со структурой МНОПпредставляет собой МОП-транзис­тор с индуцированнымканалом n– или р – типа, имеющий двуслой­ныйдиэлектрик под затвором. Верхний слой сформирован из нитрида кремния, нижний—изокисла кремния, причем нижний слой значительно тоньше верх­него. Если к затворуотносительно подложки приложить импульс напряжения положительной полярности самплитудой 30… 40 В, то под действием сильного электрического поля междузатвором и подложкой электроны получат доста­точную энергию, чтобы преодолетьтонкий диэлектрический слой и попасть на границу раздела двух диэлектриков.Поскольку верхний слой имеет значитель­ную толщину, то электроны не могут егопройти и накапливаются внутри подзатворного слоя. Накопленныйпод затвором заряд электронов снижает пороговое напря­жение МНОП-транзистораи тем самым смещает передаточную характеристику влево (рис. 2). Состояние ЭП с зарядом под затворомсоответствует лог. 1. Состояние ЭП без заряда под затвором соответствует лог.0.

Рис.2. Элементы памяти РПЗУ
а) со структуройМНОП  б) передаточная характеристикаМНОП- транзистора   в) со структуройЛИЗМОП — транзистора г) расположение ЭП в накопителе
Вэтом состоя­нии передаточная характеристика МНОП-транзисторазанимает положение с более высоким порогом отпирания. Процесс программированиямикросхем ЭСППЗУ происходит в два этапа. На первом этапе стирают информацию вовсех МНОП — элементах памяти. Для этого импульсом напряжения отрицательнойполярности, прикладываемым на затвор относительно подложки, с амплитудой 30…40 В электроны вытесняются из подзатворногодиэлектрика в подложку. Следовательно, при стирании ин­формации элемент памятиполучает состояние лог. 0. На втором этапе произ­водят выборочную запись внужные ЭП лог. 1 импульсом напряжения поло­жительной полярности, подаваемым назатвор относительно подложки. На практике режимы стирания и записи осуществляютнапряжением одной полярности: отрицательной для рМНОП- элементов и положительной для nМНОП- элементов памяти. Эта возможность основана на использовании явле­ния лавиннойинжекции электронов под затвор, которая происходит при соеди­нении затвора сподложкой и подаче на сток и исток импульса напряжения относительно подложки изатвора такой полярности,чтобы переходы между под­ложкой и стоком, истоком оказались под обратнымсмещением. Амплитуда им­пульса должна быть достаточной для возникновения впереходах электриче­ского пробоя. Типичные значения напряжения программированиялежат в пре­делах 20… 30 В.В результате электрического пробоя переходов в них происходит лавинноеразмножение носителей заряда и инжекция части этих носителей, обладающих достаточной кинетическойэнергией, на границу между слоями подзатворногодиэлектрика. При считывании на затвор подают напряжение Uсч,значение которого ле­жит между двумя пороговыми уровнями. Если в МНОП-транзистор записана единица, то он откроется, а принуле останется в закрытом состоянии. В за­висимости от этого, как видно из рис.2, г,в разрядной шине либо будет протекать ток на выход, либо нет. Усилительсчитывания трансформирует со­стояние шины в сигнал с уровнем лог. 0 или лог. 1на выходе микросхемы. Микросхемы с элементами памяти на рМНОП-транзисторахимеют сравни­тельно низкое быстродействие, высокое напряжение программирования30…… 40 В и требуют двух источников питания. Для улучшения характеристикмикросхем ЭСППЗУ широко применяют тех­нологию n-канальныхМНОП-структур. Такие элементы памяти устроены ана­логичнорассмотренным, ноимеют обратный тип проводимости подложки, сто­ка и истока. Микросхемы на nМНОП-транзисторахобладают втрое превосхо­дящим быстродействием, сниженным до 21 ...25 Внапряжением программиро­вания и работают от одного источника питания. Элементпамяти на транзисторе ЛИЗМОПс двойным затвором показан на рис. 2.Он представляет собой n — канальный МОП-транзистор,у которого в подзатворном однородном диэлектрикеокисла кремния сформирована изо­лированная проводящая область из металла или поликрнсталлического крем­ния. Этот затвор получил название«плавающий», поскольку при наведении на нем электрического заряда его потенциалможет изменяться в широких преде­лах, т. е. быть «плавающим». В режимепрограммирования на управляющий затвор, исток и сток пода­ют импульс напряженияпрограммирования положительной полярности с амп­литудой 21 ...25 В. В обратносмещенных переходах сток—подложка и исток— подложкавозникает процесс лавинного размножения носителей заряда и часть электроновинжектирует на плавающий затвор. В результате накопления на нем отрицательногозаряда передаточная характеристика транзистора смещает­ся вправо, т. е. вобласть более высокого порогового напряжения, что соответ­ствует записи вэлемент памяти лог. 0. Стирание записанной информации осуществляют вытеснениемзаряда с пла­вающего затвора. Эту процедуру выполняют дзумяспособами; в микросхемах ЭСППЗУ — импульсом напряжения на управляющем затвореположительной полярности, а в микросхемах СППЗУ — с помощью УФ излучения, подвоздей­ствием которого в результате усиления теплового движения электроны расса­сываютсяс плавающего затвора, перемещаясь в подложку. Состояние ЛИЗМОП-элементапамяти без заряда на плавающем затворе соответствует лог. 1.
Вэтом состоянии транзистор имеет более низкий пороговый уровень, т. е. егопередаточная характеристика смещается влево. В режиме считывания микросхемыРИЗУ с элементами памяти на ЛИЗМОП-структурахработают так же, как микросхемы с МНОП-элементамипамяти. Микросхемы РПЗУ относятся к группе энергонезависимых. При отсутст­виидостаточно высоких напряжений, какими являются напряжения программи­рования,состояния элементов памяти на МНОП- и ЛИЗМОП-транзисторахмо­гут оставаться неизменными длительное время как при наличии питания, так ипри его отсутствии. Например, для микросхемы СППЗУ К573РФ6 гарантий­ный сроксохранения информации без питания около пяти лет. Устройство, принцип действия,микросхем СППЗУ и ЭСППЗУ и режимы управления их работой во многом аналогичны.

Рис.3.  Структура микросхемы ЭСППЗУ
Рассмотримпринцип построе­ния ЭСППЗУ на примере микросхемы КР1601РРЗ информационнойемкостью 2 Кбита. В этой микросхеме элементами памятиявляются МНОП-транзисторы. Структурная схема (рис. 3)содержит все функциональные узлы. необхо­димые для обеспечения работымикросхемы в качестве ПЗУ: матрицу накопи­теля с элементами памяти, дешифраторыкода адреса строк и столбцов, селек­тор (ключи выбора столбцов), устройствоввода-вывода. В структуре микро­схемы предусмотрены также функциональные узлы,с помощью которых осу­ществляется программирование, т. е. реализуются режимыстирания и записи информации: коммутаторы режимов, формирователи импульсовнапряжений требуемой амплитуды и длительности. Для управления работой микросхемРПЗУ применяют полностью или частично следующие сигналы: CS — выбор микросхемы. ОЕ—разрешениевыхода, PR—разрешение программирования,
ER—стирание. Для программированиямикросхемы нуждаются в дополнитель­ном источнике напряжения UPP. Накопитель сматричной организацией содержит массив элементов памяти, размещенных напересечениях 128 строк и 128 столбцов. Всего в накопителе находится 16384элемента памяти. Управление накопителем осуществляют семью старшими разрядамиА4… А10адресного кода. Им выбирают строку, в которой находится 128 элементов памятиили 16 восьмиразрядных ячеек па­мяти. Информационные сигналы, считанные сэлементов памяти выбранной строки, поступают на входы селектора, назначениекоторого состоит в выборе одного из 16 слов (байт). Селектором управляют четыремладших разряда А0… А3адресного кода. Выбранное селектором восьмиразрядное слово посту­пает в УВВ идалее на выход микросхемы. Устройство управления под воздействием внешнихсигналов обеспечивает работу микросхемы в одном из следующих режимов: хранения,считывания, стирания, записи (при программировании). Многие микросхемы ЭСППЗУдо­пускают избирательное стирание информации (по адресу). Микросхемы СППЗУимеют аналогичную структурную схему с тем исклю­чением, что в них нет режимастирания электрическим сигналом и. следова­тельно, соответствующихфункциональных узлов и элементов. Для стирания микросхема СППЗУ помещается вкамеру с источником ультрафиолетового из­лучения. Для проникновения УФ лучей к кристаллу в крышке корпуса имеет­сяпрозрачное кварцевое окно. Время стирания составляет 30… 60 мин. Мик­росхемыЭСППЗУ имеют значительно меньшее время стирания информации, составляющее долисекунды.
         Основными характеристиками РПЗУявляется: информационная ёмкость в битах, время доступа в микросекундах,мощность и напряжение питания, напряжения считывания а также время перезаписи.
 
Сравнение ЭСППЗУ и СППЗУ
МикросхемыЭСППЗУ и СППЗУ имеют ряд существенных отличий, основ­ными из которых являютсяследующие:
а)микросхемы ЭСППЗУ допускают перепрограммирование без изъятия из контактногоустройства, а микросхемы СППЗУ перепрограммируют в специаль­номустройстве—программаторе, причем предварительно они должны быть облучены УФизлучением для стирания информации;
б)микросхемы ЭСППЗУ имеют значительно меньшее время стирания         (0,02 ...20 с), чем микросхемы СППЗУ(20… 30 мин);
 в) микросхемы ЭСППЗУ некоторых серий допускаютизбирательное стира­ние и коррекцию информации, микросхемы СППЗУ режимаизбирательного стирания не имеют;
г)микросхемы ЭСППЗУ значительно превосходят микросхемы СППЗУ по числу цикловперепрограммирования. У первых это число лежит в пределах 100… 104, а увторых—25… 100; такое различие обусловлено старением ди­электрика вмикросхемах СППЗУ под воздействием УФ излучения и, как следствие, ухудшениемего изоляционных свойств, что приводит к уменьшению времени сохранения зарядаэлектронов на «плавающем» затворе;
д)микросхемы СППЗУ конструктивно оформлены в корпуса с кварцевым    окном в крышке для пропускания Уф излученияк кристаллу; после программирования требуется защита от освещения, в противномслучае возможно случайное стирание информации;
е)микросхемы СППЗУ изготавливают по более простой технологии, по­этому онидешевле микросхем ЭСППЗУ.
Перечисленныеразличия микросхем ЭСППЗУ и СППЗУ обусловлены в основном их устройством, типомэлемента памяти и принципом функциониро­вания.
Списокиспользованной литературы
1.    УгрюмовЕ. П. – Цифровая схемотехника. – Петербург, 2004. –528 с.: ил.
2.    Лебедев О. Н. – Применение микросхемпамяти в электронных устройствах. – М.: Радио и связь, 1994. – 216 с.: ил.
3.    Шило В. Л. – Популярные цифровыемикросхемы. – М.: Ягуар, 1993. – 63  с.:ил.