Гласман К.Ф., Алексеева Л.А., Покопцева М.Н. Цифровые устройства и микропроцессоры (часть 2)
Подождите немного. Документ загружается.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
61
5.2. Постоянные запоминающие устройства
5.2.1. Принципы построения схем ПЗУ
Постоянные запоминающие устройства представляют собой память
с произвольным обращением, допускающую лишь считывание данных.
Типовая структура ПЗУ показана на рис.5.12а. Схема ПЗУ имеет много
общего со схемой ОЗУ (рис.5.5).
Рис. 5.12. ПЗУ с организацией 16 слов х 1 разряд:
а – схема, б – УГО
В узлах матрицы, образованной системой горизонтальных и
вертикальных шин, включены элементы памяти - транзисторы. В качестве
элементов памяти в накопителях ПЗУ могут использоваться как
биполярные, так и МОП-транзисторы. Базы (затворы) транзисторов
подключены к горизонтальным (адресным) шинам, эмиттеры (истоки)
через перемычку соединены с вертикальными (разрядными) шинами.
62
Наличие перемычки означает хранение в элементе памяти 1. Если
перемычка (или транзистор) отсутствуют, это означает, что в элементе
хранится 0.
К адресным шинам подключены выходы дешифратора, на входы
которого поступает часть разрядов адресного кода. Разрядные шины
соединены с входами мультиплексора, на адресные входы которого
подается вторая часть адресного кода ПЗУ. Мультиплексор имеет выход с
тремя состояниями (если
0
21
== GG
, то на выход проходит один из
информационных сигналов, если один из сигналов не равен 0, то выход
в третьем состоянии).
Q
Q
При поступлении адресного кода на одной из адресных шин
установится высокий уровень напряжения, открывающий транзисторы -
элементы накопителя одной строки. Транзисторы через перемычки
передают высокий уровень на соответствующие разрядные шины. Если на
пересечении некоторых вертикальных шин с выбранной строкой
перемычки отсутствуют, то на этих шинах останется низкий уровень.
Сигналы разрядных шин поступают на входы мультиплексора, который
передает один из сигналов на выход . Какая из разрядных шин
подключается к выходу, зависит от части адресного кода ПЗУ,
поступающего на входы адреса мультиплексора. Таким образом, выходной
сигнал ПЗУ определяется данными, хранимыми на одном из элементов
накопителя.
i
Y
Q
Микросхемы ПЗУ имеют (как и ИС ОЗУ) вход выбора .
Некоторые ИС ПЗУ имеют также вход для подачи сигнала разрешения по
входу (при сигнале
CS
CEO
1=CEO
выход переводится в третье состояние,
при
0=CEO
режим работы ПЗУ определяется сигналами на остальных
входах). Условное обозначение схемы ПЗУ показано на рис. 5.12б (ROM -
Read Only Memory).
Строение элемента памяти ПЗУ намного проще, чем ОЗУ. Поэтому
на той же площади накопителя можно построить ЗУ с большей
информационной емкостью. Записанная в ПЗУ информация сохраняется
при отключении питания, что делает удобным хранение в ПЗУ
стандартных программ вычислительных машин и т.п. ПЗУ можно
использовать в качестве универсальной комбинационной схемы. Входные
переменные схемы поступают на адресные входы ПЗУ. Значение выходной
переменной, отвечающее каждой комбинации входных, должно быть
записано в элементе ПЗУ с соответствующим адресом. Если таблица
состояний содержит входных переменных, то по каждому адресу
записывается -разрядное слово данных. Промышленностью
m
m
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
63
выпускаются ИС ПЗУ для использования в качестве преобразования кодов,
контроллеров, знакогенераторов, формирователей сигналов и т.п.
Запись данных в ПЗУ может осуществляться в процессе
изготовления микросхемы. При этом с помощью специальной
металлической маски в схеме накопителя формируется требуемый вариант
соединения элементов памяти с разрядными шинами. Такие микросхемы
памяти называют масочно-программируемыми, или масочными ПЗУ.
Примеры ИС:
К155ПР6 и К155ПР7 - преобразователи двоично-десятичного кода в
двоичный и двоичного в двоично-десятичный, построены с
использованием масочного ПЗУ емкостью 256 бит на основе ТТЛ-
элементов.
КР1610РЕ1 - масочное ПЗУ на n-МОП структурах емкостью 16384
бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выбора - 340 нс, время выборки
сигнала разрешения по выходу - 80 нс.
5.2.2. Программируемые ПЗУ
Программируемыми называют постоянные запоминающие
устройства, которые допускают запись информации после изготовления
микросхемы. Принцип записи данных в такие программируемые ПЗУ
(ППЗУ) можно пояснить следующим образом. В исходном состоянии во
всех элементах накопителя ПЗУ (рис. 5.12) установлены перемычки
(например, нихромовые), что соответствует записи 1 по всем адресам.
Устанавливая адрес элемента, в котором надо записать 0, и подавая в
определенной последовательности повышенные импульсные напряжения
на вывод питания и выход данных (часто имеется и специальный вывод
для подачи напряжения программирования), можно расплавить перемычку
этого элемента. Как было показано выше, отсутствие перемычки в
некотором элементе и означает, что в нем записан 0. Для записи данных в
ПЗУ используют специальные устройства, называемые программаторами.
Примеры ИС:
КР556РТ5 - программируемое ПЗУ на основе ТТЛ-элементов с
диодами Шоттки емкостью 4096 бит (512 слов х 8 разрядов). Время
выборки адреса - 80 нс.
ППЗУ с плавкими перемычками, пережигаемые мощными
импульсами тока, могут программироваться только один раз. Устройства,
допускающие многократную запись данных, называются
репрограммируемыми ПЗУ (РПЗУ). Элементом памяти РПЗУ является
лавинно-инжекционный МОП-транзистор с двумя затворами, один из
64
которых подключается к горизонтальной адресной шине, а второй
изолирован и является плавающим. Пороговое напряжение МОП-
транзистора в исходном состоянии близко к нулю. При подаче высокого
уровня на затвор, соединенный с адресной шиной, транзистор открывается
и на соответствующей вертикальной шине появляется сигнал,
соответствующий записанной в элементе 1. При программировании
прикладывается большое напряжение между стоком и истоком. Это
вызывает инжекцию электрического заряда в область плавающего затвора,
в результате чего пороговое напряжение МОП-транзистора увеличивается.
Когда при выборке элемента на затвор через адресную шину поступает
высокий уровень напряжения, транзистор остается закрытым и на
соответствующей разрядной шине напряжение не увеличивается. Это
означает, что в элементе записан «0». Заряд в плавающем затворе
сохраняется очень долго (десятки тысяч часов). Записанная в РПЗУ
информация может быть стерта, если кристалл накопителя осветить
ультрафиолетовым излучением. При этом заряд плавающего затвора
исчезает и во всех элементах памяти восстанавливается 1. После стирания
РПЗУ может быть снова запрограммировано.
Кроме РПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением,
имеются устройства постоянной памяти с электрическим стиранием. В
таком РПЗУ элемент памяти представляет собой МОП-структуру с
изоляцией нитридом кремния.
Примеры ИС:
К573РР2 - репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием.
Информационная емкость 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время
выборки адреса - 350 нс. Время хранения информации - не менее 15 тыс.
часов.
К573РФ2 - репрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым
стиранием. Информационная емкость - 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов).
Время выборки адреса - 450 нс. Время хранения информации - не менее 25
тыс. часов. Микросхема имеет специальное окно для ультрафиолетового
облучения (в режиме хранения оно должно быть закрыто). Условное
обозначение РПЗУ приведено на рис. 5.13 (EPROM – Erasable
Programmable ROM), U
PR
– напряжение программирования. Временные
диаграммы, иллюстрирующие работу ЗУ в режиме считывания, показаны
на рис. 5.14.
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
65
Рис. 5.13. Репрограммируемое ПЗУ К573РФ2
емкостью 16384 бит (2048 слов х 8
разрядов)
Рис. 5.14. Временные диаграммы работы РПЗУ
К573РФ2 в режиме считывания
66
5.3. Флэш-память
Флэш-память (Flash-Memory) по типу элементов памяти и принципу
работы подобна ЗУ с электрическим стиранием (типа EPROM, EEPROM),
однако имеет ряд отличительных особенностей:
− энергонезависима - не требует дополнительной энергии для
хранения данных (энергия требуется только для записи);
− обладает свойством быстро стирать массив данных одним
сигналом (отсюда название памяти Flash – вспышка, мгновение),
поэтому в ней предусмотрено одновременное стирание всей
памяти или отдельных блоков, но не отдельных слов.
Эти особенности способствуют упрощению схемных решений,
снижению стоимости микросхем, достижению высокого уровня
интеграции и быстродействия.
В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти,
ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов. В простейшем случае
каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого
транзистора со специальной электрически изолированной областью
(«плавающим» затвором – floating gate), способной хранить заряд многие
годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.
Одним из основных элементов флэш-памяти является матричный
накопитель. В схемотехнике накопителей развиваются два направления:
− накопители на основе ячеек типа ИЛИ-НЕ (NOR) находят
применение в ЗУ для хранения редко обновляемых данных;
− накопители на основе ячеек типа И-НЕ (NAND). Они более
компактны, но не обеспечивают режима произвольного доступа
и в основном используются для замены магнитных дисков.
5.3.1. Общий принцип работы ячейки флэш-памяти
Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном
транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применятся во флэш-
памяти с NOR (ИЛИ-НЕ) архитектурой (рис. 5.15). Транзистор имеет два
изолированных затвора: управляющийся и плавающий. Последний
способен удерживать электроны в течение нескольких лет. В ячейке
имеются так же сток и исток. При программировании между ними,
вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе,
появляется поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря
наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
67
плавающий затвор, где и будут храниться. При чтении низкий уровень
заряда на плавающем затворе соответствует единице, а заряд выше
порогового значения — нулю.
Рис. 5.15. Схема ячейки флэш-памяти
Поведение транзистора зависит от количества электронов на
плавающем затворе. Плавающий затвор играет ту же роль, что и
конденсатор в динамическом ЗУ, т. е. хранит запрограммированное
значение.
Помещение заряда на плавающий затвор в такой ячейке
производится методом инжекции «горячих» электронов, а снятие заряда
осуществляется методом туннелирования. Эффект туннелирования - один
из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект
заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой
«толщины». Для наглядности представим себе структуру, состоящую из
двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика
(обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон
не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий
(соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой
диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.
При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе
(логическая 1), под воздействием положительного поля на управляющем
затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и
возникает ток (рис. 5.16).
68
Рис. 5.16. Чтение 1 с ячейки флэш-памяти
Наличие заряда на плавающем затворе меняет вольт-амперные
характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения
напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не
возникает (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Чтение 0 с ячейки флэш-памяти
При программировании (записи 0 ) на сток и управляющий затвор
подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор
напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). «Горячие»
электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют
вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют
«горячими» за то, что обладают высокой энергией, достаточной для
преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой
диэлектрика (рис. 5.18).
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
69
Рис. 5.18. Программирование (запись 0) ячейки
флэш-памяти
При стирании (записи 1) высокое напряжение подаётся на исток.
На управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение.
Электроны туннелируют на исток (рис. 5.19).
Рис. 5.19. Стирание (запись 1) ячейки флэш-
памяти
В NOR (ИЛИ-НЕ) архитектуре к каждому транзистору необходимо
подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта
проблема решается с помощью NAND (И-НЕ) архитектуры.
В основе архитектуры NAND типа лежит элемент И-НЕ. От NOR
(ИЛИ-НЕ) типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В
результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой
ячейке, так что размер и стоимость NAND микросхемы может быть
существенно меньше. Запись и стирание также происходит быстрее.
Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.
NAND (И-НЕ) и NOR (ИЛИ-НЕ) архитектуры сейчас существуют
параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят
применение в разных областях хранения данных.
Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-
памяти, поэтому в новейших микросхемах некоторых производителей
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
70
применяются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс
стирания-записи, а также алгоритмы, обеспечивающие равномерное
использование всех ячеек в процессе функционирования.
5.3.2. Многоуровневые ячейки
В последнее время многие компании начали выпуск микросхем
флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит два бита. Технология
хранения двух и более бит в одной ячейке получила название MLC
(multilevel cell - многоуровневая ячейка).
В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки
памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может
принимать два состояния – 0 или 1. Во флэш-памяти эти два состояния
различаются по величине заряда, помещённого на плавающий затвор
транзистора. В отличие от «обычной» флэш-памяти, MLC способна
различать более двух величин зарядов, помещённых на плавающий затвор,
и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому
состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений
бит.
Во время записи на плавающий затвор помещается количество
заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда
на плавающем затворе зависит пороговое напряжение транзистора.
Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и
определить по нему записанное состояние, а значит и записанную
последовательность бит.
5.3.3. Доступ к флэш-памяти
Существует три основных типа доступа:
− обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к
ячейкам памяти;
− пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно,
блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются
последовательно, передача синхронизируется. Преимущество
перед обычным типом доступа - быстрое последовательное
чтение данных. Недостаток - медленный произвольный доступ;
− страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов.
Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах
текущей страницы. Недостаток: относительно медленное
переключение между страницами.