12.3.2. Постоянные запоминающие устройства.

ПЗУ предназначено для долговременного хранения информации, не разрушаемой при отключении питания. Принцип работы ПЗУ поясняет схема, изображенная на рис. 12.7. ПЗУ, изображенное на рисунке, хранит четыре восьмиразрядных слова. Диоды установлены в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического нуля. Дешифратор вырабатывает активный сигнал выбора строки с уровнем логического нуля, номер которой соответствует двоичному адресному кодуA₀A₁. В тех столбцахD₀…D₈, в пресечении которых с выбранной строкой установлены диоды, формируются уровни логических нулей. Потенциалы столбцов, где диоды не установлены, резисторамиR1…R8 подтягиваются к напряжению питания, что соответствует логической единице. Таблица прошивки изображонной на рисунке ПЗУ представлена втаблице 12.1.

Таблица 12.1.

Адрес		Выходные данные
A1	A0	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
0	0	1	0	1	0	1	0	1	0
0	1	0	1	0	1	0	1	0	0
1	0	0	0	0	0	1	1	1	1
1	1	1	0	0	0	1	0	0	0

Рис. 12.7. Схема масочного ПЗУ.

Таким образом, информация, хранимая в ПЗУ, определяется расположением диодов в пересечениях столбцов и строк матрицы. Необходимое расположение диодов можно организовать двумя путями. В первом случае запись необходимой информации выполняется в ходе технологического процесса изготовления ПЗУ с использованием маскирующих фотошаблонов. Такие ПЗУ называются масочными. Экономически оправданным является массовое производство масочных ПЗУ, так как изготовление масок требует больших затрат. Примерами таких ПЗУ являются различные стандартные преобразователи кодов. Во втором случае запись в ПЗУ осуществляет сам пользователь. Такие ПЗУ называютсяпрожигаемыми ПЗУ. Запись информации в них производится с помощью специальных устройств, называемых программаторами. В процессе изготовления прожигаемых ПЗУ диоды устанавливаются во всех без исключения точках пересечения вертикальных и горизонтальных линий матрицы. Последовательно с каждым диодом включаются плавкие перемычки, изготавливленные из материала с относительно большим удельным сопротивлением, обычно из поликристаллического кремния или нихрома. Фрагмент схемы матрицы чистого (не запрограммированного) прожигаемого ПЗУ изображен нарис. 12.8(а).

Рис. 12.8. Фрагмент схемы матрицы однократно прожигаемого ПЗУ (а) и перепрограммируемого ПЗУ (б).

Если через горизонтальную и вертикальную линию матрицы пропустить импульс тока порядка 20 мА и длительностью 1 мс (этот импульс задается разностью потенциалов, создаваемой программатором), то плавкая перемычка выгорает и соответствующий диод оказывается отключенным. Таким образом, выплавляя перемычки можно получить нужную конфигурацию расположения диодов, т.е. произвести запись в ПЗУ необходимой информации. Очевидно, что однажды записанная таким образом информация не может быть изменена. В реальных микросхемах ПЗУ вместо диодов обычно используются биполярные или полевые транзисторы. В масочных ПЗУ в пересечениях вертикальных и горизонтальных линий, которым соответствует логический ноль, соединительные транзисторы выполняются полностью. Если заданному пересечению соответствует логическая единица, то соответствующий транзистор лишают одного из его электродов. В прожигаемых ПЗУ в процессе изготовления микросхемы все транзисторы выполняют полными. В цепи эмиттера или стока последовательно напыляются плавкие перемычки, разрушаемые при программировании.

Отдельным классом ПЗУ выделяют перепрограммируемые ПЗУ(ППЗУ). Они обладают всеми достоинствами ПЗУ, т.е. позволяют сохранить записанную в них информацию при отключении питания, и в то же время допускают стирание записанной информации и запись новой. Схема ППЗУ (рис. 12.8,б) почти полностью совпадает с ранее рассмотренной схемой ПЗУ с той разницей, что в точках пересечения горизонтальных и вертикальных линий матрицы вместо диодов включены специальные МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник) или МНОП-транзисторы (металл-нитрид кремния-оксид-полупроводник). В первом случае транзистор выполняется из полупроводникаn-типа. Две области полупроводникаp-типа представляют собой соответственно исток и сток. К ним примыкают металлические электроды, с помощью которых транзистор включается между пересечениями матрицы. Промежуток между истоком и стоком покрыт слоем двуокиси кремния, затем располагается затвор, выполненный из кремния, и снова слой двуокиси кремния. Затвор в таком транзисторе полностью изолирован и не имеет вывода. Такой затвор часто называют плавающим, а соответствующие транзисторы – транзисторами с плавающим затвором. В обычном состоянии участок исток-сток транзистора электрический ток не проводит. Однако если приложить между истоком и стоком (подложкой) большое напряжение (приблизительно 80 В), то затвор зарядится в результате инжекции электронов. В дальнейшем заряд затвора будет сохраняться достаточно долго. Благодаря весьма высокому качеству диэлектрика из двуокиси кремния при температуре +125⁰С заряд уменьшается на 70 % первоначального значения примерно за 10 лет. Отрицательный заряд на затворе притягивает дырки, создает вn-области проводящийp-канал между истоком и стоком, т.е. транзистор оказывается в проводящем состоянии.

Стирание информации производится путем облучения микросхемы ультрафиолетовым светом через прозрачное кварцевое окошечко в корпусе. При этом за время приблизительно равное 10 минутам происходит снятие заряда с затворов транзисторов путем выбивания из них фотоэлектронов. В результате транзисторы устанавливается в непроводящее состояние и микросхема ППЗУ готова к новой записи информации. Чтобы записанная информация в ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием не разрушалась под действием естественного солнечного света и осветительных приборов, кварцевое окошечко микросхемы необходимо заклеивать светонепроницаемым материалом.

В настоящее время большее распространение получили ППЗУ на основе МНОП-транзисторов, поскольку они допускают электрическое стирание информации. Затвор в таких транзисторах выполняется металлическим, изолируется от полупроводникового канала двумя слоями диэлектрика и снабжается выводом. Запись и стирание информации в таких ППЗУ осуществляется подачей управляющих потенциалов на затворы МНОП-транзисторов. Использование таких ППЗУ позволяет осуществлять процесс программирования, не извлекая микросхему из устройства, в котором она эксплуатируется.

Разновидностью ППЗУ является флэш-память. Ее ячейки организуются обычно на основе МДП-транзисторов с дополнительным управляющим затвором, располагающимся поверх изолированного плавающего затвора. Это позволяет осуществлять стирание информации электрическим способом путем подачи на дополнительные затворы управляющих потенциалов. Но в большей степени термин «флэш-памяти» характеризует архитектуру такого вида ППЗУ. Микросхемы флеш-памяти имеют специальные команды и схемы управления, которые позволяют выполнять запись и стирание только определенных блоков информации. Существуют микросхемы флэш-памяти с одинаковыми по размеру блоками или с блоками различного размера. Некоторые блоки могут иметь аппаратную защиту записанной в них информации. Это может быть необходимо в случаях, когда нужно обезопасить важную информацию. Например, обезопасить программу-загрузчик или данные настройки от случайного удаления или защитить от несанкционированного доступа информацию коммерческого содержания. Для программирования некоторых микросхем флэш-памяти не требуется специальных программаторов.

В качестве примера можно привести широко применяемую микросхему файловой флэш-памяти 28F008SAобъемом 1 МБайт, разработанной фирмойIntel. Условное графическое обозначение микросхемы приведено нарис.12.9. Весь объем памяти микросхемы разбит на 16 блоков по 64кБайт. Микросхема конструктивно выпускается в разных корпусах с различным количеством выводов и разной цоколевкой. По этой причине нумерация выводов на УГО микросхемы не показана. При необходимости использования микросхемы в разработке эту информацию можно получить из технической документации производителя. Назначение выводов микросхемы следующее:

• - выбор микросхемы;

• - разрешение записи данных;

• - разрешение выдачи данных;

• - управление энергопотребелением (при единице на этом входе микросхема работает в нормальном режиме, при нуле на этом входе микросхема переходит в режим пониженного энергопотребления тока до 0,2 мкА с блокировкой записи и стирания;

• - вход подачи напряжения в режиме записи и стирания, типовое значение этого напряжения составляет +12 В;

• - вход подачи напряжения питания +5 В;

• GND– общий вывод;

• - вывод состояния схемы записи/стирания (если , то схема записи/стирания занята, если, то схема записи/стирания готова к приему новой команды).

Рис.12.9. УГО микросхемы файловой флэш-памяти 28F008SA.

Микросхема имеет команды, инициирующие следующие операции:

• FF₁₆– чтение массива;

• 90₁₆– идентификация (считывание кода фирмы-производителя командой 89₁₆и кода микросхемы командойA2₁₆);

• 70₁₆– чтение регистра-состояния микросхемы;

• 50₁₆– сброс регистра-состояния микросхемы;

• 20₁₆– установка стирания;

• D0₁₆– подтверждение стирания;

• B0₁₆– приостановка стирания;

• 40₁₆– запись.