В электронных устройствах одним из наиболее важных элементов, обеспечивающих работу всей системы считается память, которая делится на внутреннюю и внешнюю. Элементами внутренней памяти считают ОЗУ, ПЗУ и кеш процессора. Внешняя – это всевозможные накопители, которые подключаются к компьютеру из вне – жесткие диски, флешки, карты памяти и др.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения данных, изменение которых в процессе работы невозможно, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для помещения в её ячейки информации от процессов, происходящих в текущий момент времени в системе, а кеш память используется для срочной обработки сигналов микропроцессором.
Что такое ПЗУ
ПЗУ или ROM (Read only memory – Только для чтения) – типичное устройство хранения неизменяемой информации, включенное в состав почти каждого компонента ПК и телефона и требующееся для запуска и работы всех элементов системы. Содержимое в ROM записано производителем аппаратного обеспечения и содержит директивы для предварительного тестирования и запуска устройства.
Свойствами ПЗУ являются независимость от питания, невозможность перезаписи и возможность хранить информацию длительные сроки. Информация, содержащаяся в ROM, вносится разработчиками однажды, и аппаратное обеспечение не допускает её стирания, хранится до окончания службы компьютера или телефона, или его поломки. Конструктивно ПЗУ защищены от повреждений при перепадах напряжения, поэтому нанести ущерб содержащейся информации могут только механические повреждения.
По архитектуре делятся на масочные и программируемые:
- В масочных устройствах информация вносится с помощью типичного шаблона на финальном этапе изготовления. Содержащиеся данные не могут быть перезаписаны пользователем. Разделяющими компонентами выступают типичные pnp элементы транзисторов или диодов.
- В программируемых ПЗУ (Programmable ROM) информация представлена в виде двумерной матрицы проводящих элементов, между которыми расположен pn переход полупроводникового элемента и металлическая перемычка. Программированием такой памяти происходит устранением или созданием перемычек посредством тока высокой амплитуды и продолжительности.
Основные функции
В блоки памяти ROM вносят информацию по управлению аппаратным обеспечением заданного устройства. ПЗУ включает в себя следующие подпрограммы:
- Директиву старта и контроля за работой микропроцессора.
- Программу проверяющую работоспособность и целостность всего аппаратного обеспечения, содержащегося в компьютере или телефоне.
- Программу дающую начало работе системы и завершающее её.
- Подпрограммы, управляющие периферийным оборудованием и модулями ввода/вывода.
- Данные о адресе операционной системы на физическом накопителе.
Архитектура
Постоянные запоминающие устройства выполнены в виде двухмерного массива . Элементами массива являются наборы проводников, часть которых не затрагивается, прочие ячейки разрушаются. Проводящие элементы являются простейшими переключателями и формируют матрицу за счет поочередного соединения их к рядам и строкам.
Если проводник замкнут, он содержит логический ноль, разомкнут – логическую единицу. Таким образом в двухмерный массив физических элементов вносят данные в двоичном коде, которые считывает микропроцессор.
Разновидности
В зависимости от способа изготовления устройства ПЗУ делят на:
- Обыкновенные , создаваемые фабричным способом. Данные в таком устройстве не изменяются.
- Программируемые ПЗУ, допускающие изменение программы один раз.
- Стираемое программируемое оборудование , позволяющее очищать данные с элементов и перезаписывать их, например, посредством ультрафиолета.
- Электрически очищаемые перезаписываемые элементы, в которых допускается многократное изменение . Такой вид применяется в HDD, SSD, Flash и других накопителях. На такой же микросхеме записан BIOS на материнских платах.
- Магнитные , в которых информация хранилась на намагниченных участках, чередующихся с не намагниченными. В них была возможна перезаписи.
Разница между RAM и ROM
Отличия между двумя видами аппаратного обеспечения, заключаются в её сохранности при отключении питания, скорости и возможности доступа к данным.
В оперативной памяти (Random access memory или RAM) информация содержится в последовательно расположенных ячейках к каждой из которых возможно получить доступ посредством программных интерфейсов . RAM содержит данные о выполняемых в текущий момент процессах в системе, таких как программы, игры, содержит значения переменных и списки данных в стеках и очередях. При отключении компьютера или телефона RAM память полностью очищается . По сравнению с ROM памятью она отличается большей скоростью доступа и потреблением энергии.
ROM память работает медленнее, и для своей работы потребляет меньше энергии. Главное отличие заключается в невозможности изменять входящие данные в ПЗУ, в то время как в ОЗУ информация меняется постоянно.
Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:
микропроцессорная память;
основная память;
регистровая кэш-память;
внешняя память.
Микропроцессорная память рассмотрена выше. Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:
прием информации от других устройств;
запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Основная память содержит два вида запоминающих устройств:
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.
ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.
В ПЗУ находятся:
программа управления работой процессора;
программа запуска и останова компьютера;
программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;
информация о том, где на диске находится операционная система.
ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.
ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается.
В современных компьютерах объем памяти обычно составляет 8-128 Мбайт. Объем памяти - важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ.
Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом рключении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера - SETUP.
Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя.
В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.
Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Реntium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт. Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранятся все программное обеспечение компьютера.
Устройства внешней памяти - внешние запоминающие устройства - весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.
Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:
накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
накопители на оптических дисках (CD-ROM).
Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте - стримеры.
Накопители на дисках - это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.
НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.
В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра - совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.
Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни, находилась головка записи и чтения накопителя.
Все диски - и магнитные, и оптические - характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Из гибких магнитных дисков наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5(89 мм). Емкость этих дисков составляет 1,2 и 1,44 Мбайт.
Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.
В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках - ZIP-диске - переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.
В последние годы самое широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках - от 640 Мбайт и выше.
Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.
Кроме основной своей характеристики - информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:
временем доступа;
скоростью считывания подряд расположенных байтов.
ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память, которая, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.
В ПЗУ находятся:
Тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
Программы для управления основными периферийными устройствами - дисководом, монитором, клавиатурой;
Информация о том, где на диске расположена операционная система.
Типы ПЗУ:
ПЗУ с масочным программированием это память, в которую информация записана раз и навсегда в процессе изготовления полупроводниковых интегральных схем. Постоянные запоминающие устройства применяются только в тех случаях, когда речь идет о массовом производстве, т.к. изготовление масок для интегральных схем частного применения обходится весьма недешево.
ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство).
Программирование ПЗУ – это однократно выполняемая операция, т.е. информация, когда-то записанная в ППЗУ, впоследствии изменена быть не может.
СППЗУ (стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство). При работе с ним, пользователь может запрограммировать его, а затем стереть записанную информацию.
ЭИПЗУ (электрически изменяемое постоянное запоминающее устройство). Его программирование и изменение осуществляются с помощью электрических средств. В отличии от СППЗУ для стирания информации, хранимой в ЭИПЗУ, не требуется специальных внешних устройств.
Наглядно ОЗУ и ПЗУ можно представить себе в виде массива ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом байта.
Центральный процессор при работе с ОЗУ должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память. Разумеется, из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из ОЗУ или ПЗУ данные процессор записывает в свою внутреннюю память, устроенную аналогично ОЗУ, но работающую значительно быстрее и имеющую емкость не более десятков байт.
Процессор может обрабатывать только те данные, которые находятся в его внутренней памяти, в ОЗУ или в ПЗУ. Все эти виды устройства памяти называются устройствами внутренней памяти, они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера (внутренняя память процессора находится в самом процессоре).
Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.
Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).
В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.
ПЗУ – память, информация в которой, будучи однажды записанной, изменению не подлежит. Например, программа загрузки в ОЗУ микропроцессорной системы информации из внешней памяти. Все типы ПЗУ используют один и тот же принцип построения схемы. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединения между шинами адреса и данных.
Условное графическое обозначение ПЗУ представлено на рис.26.10.
Рис.26.10. Условное графическое обозначение ПЗУ
Рис. 26.11. Схема ПЗУ
На рис. 26.11 приведена схема простейшего ПЗУ. Для реализации ПЗУ достаточно использовать дешифратор, диоды, набор резисторов и шинные формирователи. Рассматриваемое ПЗУ содержит разрядных слова, т.е. его общий объем составляет 32 бит. Количество столбцов определяет разрядность слова, а количество строк – количество 8 разрядных слов. Диоды устанавливаются в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического «0» (дешифратор подает 0 на выбранную строку). В настоящее время вместо диодов ставят МОП-транзисторы.
В табл. 26.1 приведено состояние ПЗУ, схема которого приведена на рис. 26.11.
Таблица 26.1
Состояние простого ПЗУ
| Слово | Двоичное представление | ||||||||
| А0 | А1 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 |
Как правило, ПЗУ имеют многоразрядную организацию со структурой 2DM . Технологии изготовления самые разнообразные – КМОП, n-МОП, ТТЛ(Ш) и диодные матрицы.
Все ПЗУ можно разделить на следующие группы: программируемые при изготовлении (масочные), с однократным программированием и перепрограммируемые.
В запоминающих устройствах, программируемых при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывается непосредственно в процессе их изготовления с помощью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса. Такие ПЗУ называемые масочными, построены на диодах, биполярных или МОП транзисторах.
Область использования масочных ПЗУ – хранение стандартной информации, например знакогенераторы (коды букв латинского и русского алфавита), таблицы типовых функций (синусы, квадратичные функции), стандартное программное обеспечение.
Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM ) – ПЗУ с возможностью однократного электрического программирования. Этот вид памяти позволяет пользователю однократно запрограммировать микросхему памяти с помощью программаторов.
Микросхемы ППЗУ построены на запоминающих ячейках с плавкими перемычками. Процесс программирование заключается в избирательном пережигании плавких перемычек с помощью импульсов тока достаточной амплитуды и длительности. Плавкие перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов.
На рис. 26.12 приведена схема ППЗУ с плавкими перемычками. Оно изготавливается со всеми диодами и перемычками, т.е. в матрице все «0», а при программировании пережигаются те перемычки, в ячейках которых должны быть логические «1».
Рис. 26.12. Фрагмент схемы ППЗУ
Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ и РПЗУ УФ) – ПЗУ с возможностью многократного электрического программирования. В ИС РПЗУ УФ (EPROM ) старая информация стирается с помощью ультрафиолетовых лучей, для чего в корпусе микросхемы имеется прозрачное окошко; в РПЗУ (EEPROM ) – с помощью электрических сигналов.
Запоминающие ячейки РПЗУ строятся на n -МОП или КМОП транзисторах. Для построения ЗЭ используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.
В первом варианте диэлектрик под затвором МОП транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния. Этот транзистор называется МНОП: металл – нитрид кремния – окисел – полупроводник. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата зарядов. Благодаря туннельному эффекту носители заряда могут проходить сквозь тонкую пленку окисла и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд, являющийся носителем информации, хранимой МНОП-транзистором, приводит к изменению порогового напряжения транзистора. При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочее напряжение на затворе транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует, легко открывается. Одно из состояний определено как логическая единица, второе – ноль.
Во втором варианте затвор МОП транзистора делают плавающим, т.е. не связанным с другими элементами схемы. Такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения. В результате заряд на плавающем затворе влияет на ток стока, что используется при считывании информации, как и в предыдущем варианте с МНОП транзистором. Такие транзисторы получили название ЛИЗМОП (МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда). Так как затвор транзистора окружен изолятором, ток утечки очень мал и информация может храниться достаточно долго (десятки лет).
В РПЗУ с электрическим стиранием над плавающим затвором транзистора размещают второй – управляющий затвор. Подача напряжения на него вызывает рассасывание заряда на плавающем затворе за счет туннельного эффекта. РПЗУ имеют весомые преимущества перед РПЗУ УФ, так как не требуют для перепрограммирования специальных источников ультрафиолетового света. ЗУ с электрическим стиранием практически вытеснили ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.
Фрагмент схемы РПЗУ с использованием двухзатворных транзисторов типа ЛИЗМОП показан на рис. 26.13. Запись логического нуля осуществляется в режиме программирования с помощью заряда плавающего затвора. Стирание информации, т.е. разряд плавающего затвора, означает запись логической единицы. В этом случае при подаче сигнала по линии выборки опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение U ПИТ на линии считывания.
Современные РПЗУ имеют информационную емкость до 4 Мбит при тактовой частоте до 80 МГц.
26.5. Flash -память
Основные принципы работы и тип запоминающих элементов Flash -памяти аналогичны ППЗУ с электрической записью и стиранием информации, построенной на транзисторах с плавающим затвором. Как правило, благодаря своим особенностям, Flash -память выделяют в отдельный класс. В ней производится стирание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдельных слов. Это позволяет исключить схемы управления записью и стиранием отдельных байтов, что дает возможность значительно упростить схему ЗУ и достичь высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости.
Рис.26.13. Фрагмент схемы РПЗУ
Современные тенденции развития электронных приборов требуют постоянного увеличения объема используемой памяти. На сегодня инженеру доступны микросхемы как энергозависимой памяти типа DRAM , которую характеризуют предельно низкая цена за бит и большие уровни интеграции, так и энергонезависимой Flash -памяти, себестоимость которой постоянно снижается и стремится к уровню DRAM .
Потребность в энергонезависимой Flash -памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе Flash -памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в Flash -памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, Flash -память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.
В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И-НЕ). Структура NOR (рис. 26.14, а) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис. 26.14, б) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.
Рис.26.14. Структуры на основе NOR (a) и NAND (б)
В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR . Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-Flash лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-Flash ниже, чем в других технологиях Flash -памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.
Более детально особенности микросхем Flash -памяти можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY 27xx(08/16)1G 1M фирмы Hynix . На рис. 26.15 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов.
Микросхема имеет следующие выводы:
I/O 8-15 – вход/выход данных для х16 устройств
I/O 0-7 – вход/выход данных, адресный вход или вход команд для х8 и х16 устройств;
ALE – включение адресной защелки;
CLE – включение защелки команд;
– выбор кристалла;
– разрешение чтения;
– чтение/занят (выход с открытым стоком);
– разрешение записи;
– защита от записи
V CC – напряжение питания;
V SS – общий вывод.
Рис.26.15. Схема внешних выводов (а), назначение выводов (б) и структурная схема (в) Flash -памяти
Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read ). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.
Рис.26.16. Организация массива памяти NАND -структуры
Массив памяти NAND -структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис. 26.16).
Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC ), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block ) основной области. В 8-битных устройствах страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В 16-ти битных устройствах страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.
Память на основе ячеек NOR имеет сравнительно большие времена стирания и записи, но обладает доступом к каждому биту на чтение. Данное обстоятельство позволяет применять такие микросхемы для записи и хранения программного кода, который не требует частого перезаписывания. Такими применениями могут быть, например, BIOS для встраиваемых компьютеров или ПО для телевизионных приставок.
Свойства NAND-Flash определили область ее применения: карты памяти и иные устройства хранения данных. Сейчас данный тип памяти применяется почти повсеместно в мобильных устройствах, фото- и видеокамерах и т.д. NAND-Flash лежит в основе практически всех типов карт памяти: SmartMedia , MMC , SecureDigital, MemoryStick
Достигнутая в настоящее время информационная емкость Flash -памяти достигает 8ГБит, типовая совокупная скорость программирования и стирания составляет до 33.6 мС / 64 кБ при тактовой частоте до 70 МГц.
Двумя основными направлениями эффективного использования Flash -памяти являются хранение редко изменяемых данных и замена памяти на магнитных дисках. Для первого направления используется Flash -память с адресным доступом, а для второго – файловая память.
26.6. ОЗУ типа FRAM
FRAM – оперативное энергонезависимое ЗУ, сочетающее высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, присущие ОЗУ, со свойством хранения данных при отсутствии приложенного напряжения.
В сравнении с EEPROM и Flash -памятью время записи данных в ЗУ этого типа и потребляемая мощность намного меньше (менее 70 нс против нескольких миллисекунд), а ресурс по циклам записи намного выше (не менее 10 11 против 10 5 …10 6 циклов для EEPROM ).
FRAM должна стать в ближайшем будущем самой популярной памятью в цифровых устройствах. FRAM будет отличаться не только быстродействием на уровне DRAM , но и возможностью сохранять данные при отключении энергии. Словом, FRAM может вытеснить не только медленную Flash , но и обычную ОЗУ типа DRAM . Сегодня ферроэлектрическая память находит ограниченное применение, к примеру, в RFID -тэгах. Ведущие компании, в числе которых Ramtron, Samsung, NEC, Toshiba , активно развивают FRAM . Примерно к 2015 году на рынок должны поступить n -гигабайтные модули FRAM .
Указанные свойства FRAM обеспечивает сегнетоэлектрик (перовскит), используемый в качестве диэлектрика накопительного конденсатора ячейки памяти. При этом сегнетоэлектрическое ЗУ хранит данные не только в виде заряда конденсатора (как в традиционных ОЗУ), но и виде электрической поляризации кристаллической структуры сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрический кристалл имеет два состояния, которые могут соответствовать логическим 0 и 1.
Термин FRAM еще не устоялся. Первые FRAM получили название – ферродинамические ОЗУ. Однако в настоящее время в качестве запоминающих ячеек используется сегнетоэлектрик и сейчас FRAM часто называют сегнетоэлектрическим ОЗУ.
Первые FRAM имели 2Т /2С -архитектуру (рис.26.17, а), на основе которой выполняется и большинство современных микросхем сегнетоэлектрической памяти. Ячейка такого типа, в которой каждому биту соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определить разницу зарядов с высокой точностью. А благодаря считыванию дифференциального сигнала исключается влияние разброса параметров конденсаторов ячеек. Позже появились FRAM с архитектурой 1Т /1С (рис.26.17, б). Достоинство микросхем с такой архитектурой – меньшая, чем в обычных схемах площадь ячейки и, следовательно, меньшая стоимость микросхемы в пересчете на единицу информационной емкости.
На рис.26.18 приведена структурная схема сегнетоэлектрического ОЗУ (FRAM ) объемом 1 Мбит и параллельным интерфейсом доступа FM 20L 08 фирмы Ramtron . В таблице 26.1. показаны выводы микросхемы.
FM 20L 08 – энергонезависимая память с организацией 128К×8, которая считывается и записывается подобно стандартному статическому ОЗУ. Сохранность данных обеспечивается в течение 10 лет, при этом, нет необходимости задумываться о надежности хранения данных (неограниченная износостойкость), упрощается проектирование системы и исключается ряд недостатков альтернативного решения энергонезависимой памяти на основе статического ОЗУ с резервным батарейным питанием. Быстрота записи и неограниченное количество циклов перезаписи делают FRAM лидером по отношению к другим типам энергонезависимой памяти.
Рис.26.17. Ячейка памяти типа 2Т /2С (а) и 1Т /1С (б)
Рис.26.18. Структурная схема FRAM FM 20L 08
Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах, DDC и DUC, таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства называются ROM (read only memory – память доступная только для чтения). Схема такого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) приведена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1. Схема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), построенная на мультиплексоре.
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). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2. Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.
Для того, 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 рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 Схема многоразрядного ПЗУ (ROM).
В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация производится 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 двухмерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:
Рисунок 3.4. Схема масочного постоянного запоминающего устройства (ROM).
Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.5. Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ОЗУ). Чтение микросхемы производится сигналом RD.
Рисунок 3.5. Условно-графическое обозначение масочного ПЗУ (ROM) на принципиальных схемах.
Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах - программаторах. В этих ПЗУ постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве ПЗУ изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти ПЗУ логических единиц. В процессе программирования ПЗУ на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход ПЗУ подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход ПЗУ подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку запоминающей матрицы будет протекать ток, который испарит ее и при последующем считывании информации из этой ячейки ПЗУ будет считываться логический ноль.
Такие микросхемы называются программируемыми
ПЗУ (ППЗУ) или PROM и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке3.6. В качестве примера ППЗУ можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.
Рисунок 3.6. Условно-графическое обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства (PROM) на принципиальных схемах.
Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:
Рисунок 3.7. Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.
Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния - диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ, заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании ПЗУ, на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе подобной ячейки может храниться десятки лет.
Структурная схема описанного постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственное отличие – вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка. Такой вид ПЗУ называется репрограммируемыми постоянными запоминающими устройствами (РПЗУ) или EPROM. В РПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы ПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла.
При облучении микросхемы РПЗУ, изолирующие свойства оксида кремния теряются, накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника, и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы РПЗУ колеблется в пределах 10 - 30 минут.
Количество циклов записи – стирания микросхем EPROM находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема РПЗУ выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения на оксид кремния. В качестве примера микросхем EPROM можно назвать микросхемы 573 серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В РПЗУ чаще всего хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. РПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8. Условно-графическое обозначение РПЗУ (EPROM) на принципиальных схемах.
Так как корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи - стирания привели к поиску способов стирания информации из РПЗУ электрическим способом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей ячейки в них используются такие же ячейки как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи - стирания для этих микросхем достигает 1000000 раз. Время стирания ячейки памяти в таких ПЗУ уменьшается до 10 мс. Схема управления для электрически стираемых программируемых ПЗУ получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:
1. ЕСППЗУ (EEPROM) - электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство
Электрически стираемые ППЗУ (EEPROM) дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи - стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ - хранение данных, которые не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3, 558РР3 и зарубежные микросхемы EEPROM серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ обозначаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.9.
Рисунок 9. Условно-графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM) на принципиальных схемах.
В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних выводов микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов - SPI порт и I2C порт (микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX.
FLASH - ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.
Рисунок 3.10. Условно-графическое обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах.
При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке 3.11.
Рисунок 3.11. Временные диаграммы сигналов чтения информации из ПЗУ.
На рисунке 3.11 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.
4. Выполните операцию сложения в дополнительном коде, представив приведенные слагаемые в двоичном виде:
1) + 45 2) - 45
- 20 + 20
Решение:
1) х 1 = 45 = 0,101101 пр
х 2 = - 20 = 1,010100 пр = 1,101011 обр = 1,101100 доп
+ 1,101100
Ответ: 0,011001 пр = 25 10
2) х 1 = - 45 =1,101101 пр
х 2 = 20 = 0,010100 пр
+ 0,010100
Ответ: 1,100111 доп = 1,011000 обр = 1,011001 пр = - 25 10
Вопрос № 5.
Выполните следующие задания:
1) запишите логическую функцию в СНДФ;
2) минимизируйте логическую функцию с помощью карт Карно;