1.2 Постоянные запоминающие устройства
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), или ROM-память (Read only memory), аналогично ОЗУ относятся к основному уровню иерархической структуры памяти ЭВМ и являются внутренними, адресными, полупроводниковыми. Наиболее распространена структурная организация ПЗУ – 2DМ, с исполнением в виде БИС и СБИС. Схемная реализация ПЗУ проще, чем у оперативных запоминающих устройств, а быстродействие – выше и составляет доли и единицы наносекунд.
Отличительным признаком ПЗУ является то, что в рабочем режиме они обеспечивают только хранение и чтение информации, являясь при этом энергонезависимыми.
Программирование ПЗУ заключается в том или ином размещении ЗЭ (иногда их называют элементами связи) между адресными и разрядными линиями выборки запоминающей матрицы. ПЗУ типа ROM имеют многоразрядную организацию (чаще всего 8-разрядную или 4-разрядную). Технологии изготовления ПЗУ разнообразны ТТЛ(Ш), КМОП, n-МОП и др.
В зависимости от используемых способов программирования, а в ряде случаев и перепрограммирования, различают ПЗУ типа ROM(M), PROM, EPROM и EEPROM.
Масочные запоминающие устройства ROM(M). Запоминающие устройства ROM(M) называются масочными потому, что их программирование выполняется на этапе изготовления путем нанесения маски (связующих элементов) между адресными и разрядными линиями выборки. Элементами связи (а по сути, ЗЭ) могут быть диоды, биполярные и МОП -транзисторы, а иногда и резисторы.
В запоминающей матрице диодного ROM(M) (рис.4) горизонтальные линии являются адресными, а вертикальные – разрядными линиями выборки.
Рис. 4. Фрагмент запоминающей матрицы диодного ROM(M)
Считываемое слово определяется наличием диодов, соединяющих возбужденную адресную линию Аi с соответствующими разрядными линиями. При наличии диода высокий потенциал выбранной адресной линии передается на разрядные линии, а при его отсутствии потенциал на соответствующих разрядных линиях близок к нулю. Для рис.4 при возбуждении линии А0 считывается слово 11010001.
ПЗУ с масочным программированием отличаются компактностью ЗЭ, а следовательно, высоким уровнем интеграции.
Очевидно, что экономически производство ПЗУ типа ROM(M) целесообразно при широком диапазоне их применения. Это возможно для случаев хранения стандартной информации, такой, как коды букв используемых алфавитов, таблиц типовых функций стандартного программного обеспечения и др.
Программируемые пользователем ЗУ типа РROM. В запоминающие устройства указанного типа данные может заносить пользователь с помощью специальных устройств - программаторов. В этом случае ПЗУ называется программируемым ROM (Programmable ROM, PROM) или ППЗУ.
В отличие от ROM(M) в исходном состоянии в запоминающей матрице имеются (или отсутствуют) все элементы связи или ЗЭ. После программирования остаются или появляются только необходимые.
В
настоящее время в качестве элементов
связи между адресными и разрядными
линиями запоминающей матрицы обычно
используют ЗЭ с плавкими перемычками
(рис.5 а, б) или с диодными парами (рис. 5
в).
Рис. 5. ЗЭ с плавкими перемычками (а), (б) и диодными парами (в)
В ЗЭ с плавкими перемычками эти перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов. Перемычки могут быть металлическими (нихромовые, титановольфрамовые) или поликристаллические (кремниевые). В исходном состоянии такие ЗЭ хранят логическую единицу. Для записи нуля необходимо расплавить перемычку.
Для ЗЭ со встречновключенными диодами (рис.5 в) в исходном состоянии сопротивление такой цепочки велико и равноценно разомкнутой цепи, что соответствует хранению логического нуля. При записи единицы к диодам прикладывается повышенное напряжение, пробивающее диод, включенный в обратном направлении. Диод пробивается и играет роль появившейся проводящей перемычки (запись и хранение единицы).
Плавкие перемычки занимают на кристалле относительно много места, поэтому уровень интеграции ЗУ с такими перемычками существенно ниже, чем у масочных. В то же время простота программирования пользователем и невысокая стоимость таких ЗУ обусловили их широкое распространение.
Внешняя организация ЗУ типа ROM(M) и PROM проста. Входными сигналами для них служат адресный код и сигнал выбора микросхемы CS. Причем с целью исключения обращения к непредусмотренной ячейке подача адресного кода на вход дешифратора адреса опережает поступление сигнала CS. После задержки, определяемой быстродействием схемы, на выходных разрядных линиях появляются значения считанного данного.
Перепрограммируемые ЗУ типа EPROM и EEPROM. В перепрограммируемых ПЗУ(ППЗУ) типа EРROM (Erаsable Programmable ROM) и EEPROM (Electrically Erаsable Programmable ROM) возможно стирание (удаление) старой информации и замена (запись) ее новой. При этом для стирания старой информации ППЗУ выводится из рабочего режима (хранения и чтения данных), поскольку замена содержимого памяти требует относительно большого времени.
EРROM. В качестве ЗЭ используются транзисторы ЛИЗМОП (лавинная инжекция зарядов МОП) с двойным затвором, один из которых обычно называют плавающим (рис.6). Плавающий (изолированный) затвор не имеет электрического подвода, он предназначен для хранения заряда. Управляющий затвор подсоединен к одному из выходов адресного дешифратора строк, а сток– к разрядной линии записи/чтения.
В исходном состоянии заряд на плавающем затворе отсутствует (состояние 1), транзистор имеет очень небольшое пороговое напряжение. Выбор ЗЭ выполняется путем подачи на управляющий затвор сигнала адресной выборки, при этом транзистор Т включается, и через цепь сток – исток протекает значительный ток. Программирование (запись 0) производится подачей на сток импульса напряжения 20…25 В, при этом происходит инжекция электронов, имеющих высокую энергию, через оксид на плавающий затвор, получающий отрицательный заряд (состояние 0). Снятие высокого программирующего напряжения восстанавливает обычное состояние транзистора и запирает электроны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (месяцы и годы). Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напряжение транзистора Т настолько, что в диапазоне рабочих напряжений проводящий канал в нем не создается.
Рис. 2.6. ЗЭ на основе ЛИЗМОП-транзистора
Стирание информации в ЗЭ ЛИЗМОП выполняется воздействием на него ультрафиолетового излучения. Для этих целей на корпусе ИС ЗУ имеется специальное прозрачное окно для облучения кристалла. Ультрафиолетовые лучи вызывают в областях транзистора фототоки и тепловые токи, что делает области прибора проводящими и позволяет заряду покинуть плавающий затвор. Операция стирания занимает десятки минут, причем информация стирается сразу во всем кристалле. В ЗЭ ЛИЗМОП число циклов перепрограммирования ограничено из-за изменений свойств материала, возникающих в результате облучения. Число циклов перезаписи может составлять от 10 до 100. У памяти EPROM имеется два существенных недостатка: во-первых, для перепрограммирования микросхему ЗУ необходимо извлекать из устройства, а во-вторых, при перепрограммировании ультрафиолетовый свет стирает все его содержимое.
EEPROM. В качестве ЗЭ в устройствах типа EEPROM используется МНОП-транзистор, отличающийся от обычного МОП-транзистора двухслойным подзатворным диэлектриком. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. На границе раздела диэлектрических слоев можно создавать заряд любого знака. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора. Например, для МНОП-транзистора с n-каналом отрицательный заряд на границе раздела слоев повышает пороговое напряжение настолько, что рабочие напряжения на затворе транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим напряжением. Таким способом выполняется хранение бита в МНОП: одно состояние воспринимается как отображение логического нуля; другое – единицы. При программировании ЗУ используются напряжения около 20 В. После снятия высоких напряжений заданное транзистору пороговое напряжение остается неизменным.
Стирание информации в МНОП-транзисторах выполняется электрическими сигналами путем подачи на управляющие затворы низкого (нулевого) напряжения, а на стоки - высокого напряжения программирования. Электрическое стирание имеет преимущества: можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно для заданного адреса или их совокупности. Длительность процесса, «стирание – запись» значительно меньше, чем у транзисторов ЛИЗМОП. Допускается существенно большее число циклов перепрограммирования (104…106 циклов). Кроме того, для перепрограммирования ЗУ не нужно извлекать микросхему из устройства. В то же время схемы с электрическим стиранием занимают больше места на кристалле, в связи с чем уровень их интеграции меньше, а стоимость выше. Однако в последнее время эти недостатки преодолеваются и электрическое стирание вытесняет ультрафиолетовое.