§ 3.3. Постоянные запоминающие устройства

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) в микропроцессорных вычислительных системах слу­жат для хранения программ и другой неизменяемой информации. Важное преимущество ПЗУ по сравне­нию с ОЗУ — сохранение информации при выключе­нии питания. Стоимость бита хранимой в ПЗУ инфор­мации может быть почти на порядок ниже, чем в ОЗУ. Постоянные ЗУ могут быть реализованы на основе различных физических принципов и элементов и отличаются способом занесения информации, крат­ностью занесения, способом стирания.

В настоящее время применяются следующие виды ПЗУ: программируемые на заводе-изготовителе или масочные ПЗУ (МПЗУ); программируемые пользова­телем [15]; перепрограммируемые ПЗУ [9]. Первые два вида ПЗУ допускают только однократное про­граммирование, третий вид ПЗУ позволяет изменять хранимую в нем информацию многократно.

Рассмотрим подробнее каждый из типов ПЗУ.

Программируемые масочные ПЗУ про­граммируются их изготовителем, который по подго­товленной пользователем информации делает фото­шаблоны, с помощью которых заносит эту информа­цию в процессе производства на кристалл ПЗУ. Этот способ самый дешевый и предназначен для крупносе­рийного производства ПЗУ.

Масочные ПЗУ строятся на основе диодов, бипо­лярных и МДП-транзисторов. В диодных ПЗУ диоды включены в тех пересечениях матрицы, которые соот­ветствуют записи «1», и отсутствуют в местах, где должен быть записан «0». Внешние цепи управления диодных ПЗУ очень просты. Так как диодная матри­ца представляет собой элемент с гальваническими связями, то выходные сигналы имеют ту же форму, что и входные. Таким образом, если на входы пода­ются напряжения постоянных уровней, то и на выхо­дах уровни будут также постоянными, поэтому отпа­дает необходимость в выходном регистре для хране­ния информации. Масочные ПЗУ на биполярных и МДП-транзисторах также строятся в виде матриц. Постоянные ЗУ на МДП-транзисторах несколько проще в изготовлении, чем биполярные.

Масочные ПЗУ характеризуются большой надеж­ностью, но при их изготовлении возникает ряд не­удобств для заказчика и для изготовителя. Велика номенклатура ПЗУ и мала их тиражность, поэтому от изготовителя требуются повышенные затраты на фотошаблоны, что увеличивает стоимость ПЗУ. От­сутствует возможность оперативно изменять инфор­мацию в ПЗУ без изготовления новой ИС, что особен­но неудобно на этапе отработки программ системы.

Программируемые пользователем ПЗУ являются более универсальными и, следователь­но, более дорогими приборами. Они представляют собой матрицы биполярных приборов, связи которых с адресными и разрядными шинами разрушаются при занесении на специальных программирующих устрой­ствах соответствующих кодовых комбинаций. Эти устройства вырабатывают напряжения, необходимые и достаточные для пережигания плавких перемычек в выбранных запоминающих элементах ПЗУ. Воз­можность программирования пользователем сделала ПЗУ этого типа чрезвычайно удобными при разра­ботке микроЭВМ.

Наибольшее распространение получили ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием серии К573, с плавки­ми перемычками серии К556 и К541, с электрическим стиранием и записью информации серий К558, К1601, К1609.

Во всех перечисленных типах запоминающих уст­ройств элементы, хранящие информацию, также рас­полагаются в виде ячеек двумерной матрицы. Каж­дая ячейка может хранить один бит информации, т. е. быть в состоянии логического «0» или «1». Физически на кристалле микросхемы ПЗУ ячейки располагаются на пересечении «словарных линий», идущих от де­шифратора, и разрядных линий, перпендикулярных словарным, которые подсоединяются ко входам муль­типлексора. На дешифратор и мультиплексор пода­ются разряды адреса. При подаче адреса на дешиф­ратор возбуждается одна из словарных линий и все запоминающие элементы, расположенные на ней, па­раллельно выдают хранящуюся в них информацию на все разрядные линии. Выборка нужного числа би- тов для подачи на выход микросхемы ЗУ осуществляется мультиплексором. В зависимости от организации микросхемы мультиплексор и дешифратор могут иметь различную разрядность. Например, микросхема емкостью (2X8) К бит может быть организована как матрица размером 128Х128, что означает использование внутри микросхемы дешифратора «1 - из-128» для возбуждения словарных линий и восьми мультиплексоров «16 - в - 1» для считывания разрядных Линий.

С учетом топологических и технологических особенностей каждого типа микросхем можно произвести деление матрицы запоминающих ячеек на блоки других размеров. Подобное построение запоминающих устройств является общим для всех типов. Отличия между ними - в организации запоминающих ячеек, располагающихся на пересечении «словарной» и «разрядных» линий.

Микросхемы с плавкими перемычками, выполненные по ТТЛ- или ТТЛШ-технологии, применяются там, где необходимо высокое быстродействие. На их основе создается память микропрограмм для микропроцессорных устройств с разрядно-модульной архитектурой (серия К589 й др.), устройства перемножения и функционального преобразования сигналов. Запоминающим элементом в микросхемах данного типа является я-р-/г-транзистор, подсоединенный базой к «словарной линии», коллектором к (Лъ а эмиттером, через плавкую перемычку, к «разрядной» линии. В качестве плавкой перемычки используется поликристаллический кремний или нихром, напыленные при изготовлении микросхемы.

Протекание тока программирования через нихро-мовую перемычку вызывает частичное испарение и окисление нихрома, это приводит к разрыву перемычки. Однако по истечении некоторого времени такая перемычка можёт восстановиться, поэтому - для повышения надежности программирования проводят электротермотренировку микросхем. Подобного недостатка лишены микросхемы с перемычками из поликристаллического кремния, в которых процесс необратимого перехода поликремния из проводящего состояния в непроводящее происходит под действием нагрева, вызванного протеканием тока.

При возбуждений «словарной линии» будут активизироваться (переходить в состояние «1») лишь те «разрядные» линии, к которым подсоединены транзисторы с невыплавленными перемычками. Таким образом, процесс программирования для микросхем данного типа сводится к удалению плавких перемычек в необходимых местах.

Схемы поддержки режима программирования обычно располагаются на самом кристалле микросхемы, и процесс программирования протекает следующим образом. На адресные входы подается адрес выбранной ячейки. Напряжение питания микросхемы повышается до напряжения программирования, необходимого для создания тока, достаточного для выплавления перемычки. Далее на выходах микросхемы путем задания тока указываются те разряды слова, -в которых будут выплавляться перемычки. В процессе занесения информации в микросхему необходимая последовательность подачи импульсов напряжения на определенные выводы обеспечивается программирующим устройством, которое параллельно контролирует правильность программирования, считывая информацию из ПЗУ. Постоянные ЗУ данного типа допускают только однократную запись информации в ячейку.

Микросхемы, в которых информация стирается с помощью ультрафиолетового излучения (УФППЗУ), имеют: возможность многократного программирования, достаточно малое время выборки и энергопотребление, большую емкость. Это делает их более предпочтительными для применения в качестве памяти микропроцессорных систем с сохранением информации после отключения питания. Микросхемы данного типа используются в блоках ПЗУ большинства микро- ЭВМ.

Запоминающим элементом в ПЗУ с УФ-стиранием является МОП-транзистор, расположенный на пересечении соответствующих «словарной» и «разрядной» линий. Информация о содержимом данной ячейки хранится в виде заряда на втором (плавающем) за­творе МОП-транзистора. Затвор называется плавающим, если он размещен между управляющим затво­ром данного транзистора и его каналом и окружен высокоомным диэлектриком.

Перепрограммируемые ПЗУ - это ПЗУ с изменяемым содержимым, на затворах матрицы МОП-транзисторов длительное время могут храниться заряды, образующие заданный код. Все перепрограммируемые ПЗУ представляют собой МОП-приборы.

При необходимости в перепрограммировании микросхемы предварительно записанную информацию стирают ультрафиолетовым светом через прозрачное кварцевое окошко на поверхности корпуса микросхемы. Попадая на плавающий затвор и выбивая из него фотоэлектроны, УФ-излучение разряжает плаваю­щий затвор МОП-транзистора. Время сохранения информации в микросхемах ПЗУ данного типа определяется качеством призатворного диэлектрика и для современных микросхем составляет десять лет и более.

Микросхемы ПЗУ с электрическим стиранием информации популярны у разработчиков микропроцессорной техники благодаря возможности быстрого сти­рания и записи, большим допустимым числом циклов перезаписи информации (10000 раз и более). Однако они достаточно дорогие и сложные по сравнению с микросхемами ПЗУ с УФ-стиранием и поэтому уступают последним по степени использования в микропро­цессорной аппаратуре.

Основу запоминающей ячейки в ПЗУ с электрическим стиранием составляет МОП-транзистор с плавающим затвором, такой же, как и в ПЗУ с УФ-стиранием. Но в микросхемах данного типа технологическими методами обеспечена возможность обратного туннели- рования, т.е. отбора электронов с плавающего затвора, что позволяет выборочно стирать занесенную информацию.