Запоминающие элементы постоянных зу

Программирование постоянной памяти заключается в том или ином размещении элементов связи между горизонтальными и вертикальными линиями матрицы запоминающих элементов. Запоминающие устройства типа ROM имеют многоразрядную организацию (чаще всего 8-разрядную или 4-разрядную, для некоторых ИС 16-разрядную) и обычно выполняются по структуре 2DM. Простейшие ПЗУ могут иметь структуру 2D. Технологии изготовления постоянных ЗУ разнообразны: ТТЛ(Ш), КМОП, n-МОП и др.

В масочных ПЗУ элементом связи могут быть диоды, биполярные транзисторы, МОП-транзисторы и т.д. Например, в матрице диодного ROM(M) (рисунок 27) горизонтальные линии являются линиями выборки слов (адресными линями – АЛ), а вертикальные – линиями считывания (разрядными линиями – РЛ). Считываемое слово определяется расположением диодов в узлах координатной сетки. При наличии диода высокий потенциал выбранной горизонтальной линии передается на соответствующую вертикальную линию, и в данном разряде слова появляется сигнал логической единицы. При отсутствии диода потенциал близок к нулевому, так как вертикальная линия через резистор связана с землей. В изображенной матрице при возбуждении линии выборки АЛ1 считывается слово 11010001 (это слово хранится в ячейке № 1). При возбуждении АЛ2 считывается слово 10101011 (оно хранится в ячейке № 2). Шины выборки являются выходами дешифратора адреса, каждая адресная комбинация возбуждает свой выход дешифратора, что приводит к считыванию слова из адресуемой ячейки.

В матрице с диодными элементами в одних узлах матрицы диоды изготавливаются, в других – нет. При этом, чтобы удешевить производство, при изготовлении ПЗУ стремятся варьировать только один шаблон, так чтобы одни элементы связи были законченными и работоспособными, а другие – незавершенными и как бы отсутствующими. Для матриц с МОП-транзисторами часто в МОП-транзисторах, соответствующих хранению нуля, увеличивают толщину подзатворного окисла, что ведет к увеличению порогового напряжения транзистора. В этом случае рабочие напряжения ПЗУ не в состоянии открыть транзистор. Постоянно закрытое состояние транзистора аналогично его отсутствию.

Рисунок 27 – Матрица диодных запоминающих элементов масочного ПЗУ

ПЗУ с масочным программированием отличаются компактностью запоминающих элементов и, следовательно, высоким уровнем интеграции. При больших объемах производства масочное программирование предпочтительно, однако при недостаточной тиражности ПЗУ затраты на проектирование и изготовление шаблона для их технологического программирования окажутся чрезмерно высокими. Отсюда видна и область применения масочных ПЗУ – хранение стандартной информации, имеющей широкий круг потребителей. В частности, масочные ПЗУ имеют в качестве «прошивки»¹⁾ коды букв алфавитов (русского и латинского), таблицы типовых функций (синуса, квадратичной функции и др.), стандартное программное обеспечение и т.п.

В ПЗУ типа PROM микросхемы программируются устранением или созданием специальных перемычек. В исходной заготовке имеются (или отсутствуют) все перемычки. После программирования остаются или возникают только необходимые.

Устранение части перемычек свойственно ПЗУ с плавкими перемычками (типа fuse – предохранитель). При этом в исходном состоянии ПЗУ имеет все перемычки, а при программировании часть их ликвидируется путем расплавления импульсами тока достаточно большой амплитуды и длительности.

В ПЗУ с плавкими перемычками эти перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов. Перемычки могут быть металлическими (вначале изготавливались из нихрома, позднее из титановольфрамовых и других сплавов) или поликристаллическими (кремниевыми). В исходном состоянии запоминающий элемент хранит логическую единицу, логический нуль нужно записать, расплавляя перемычку.

Второй тип запоминающего элемента PROM – два встречно включенных диода или тонкий диэлектрический слой. В исходном состоянии сопротивление такой цепочки настолько велико, что практически равноценно разомкнутой цепи, и запоминающий элемент хранит логический нуль. Для записи единицы к диодам прикладывают повышенное напряжение, пробивающее диод, смещенный в обратном направлении. Диод пробивается с образованием в нем короткого замыкания и играет роль появившейся проводящей перемычки.

Схемы с тонкими пробиваемыми диэлектрическими перемычками (типа antifuse) наиболее компактны и совершенны. Их применение характерно для программируемых логических СБИС. В номенклатуре продукции стран СНГ ПЗУ с перемычками типа antifuse отсутствуют. Запоминающие элементы с плавкими перемычками и парами диодов показаны на рисунке 28 а, б в исходном состоянии и после программирования.

Плавкие перемычки занимают на кристалле относительно много места, поэтому уровень интеграции ПЗУ с такими перемычками существенно ниже, чем у масочных ПЗУ. В то же время простота программирования пользователем и невысокая стоимость в свое время обусловили широкое распространение ПЗУ типа PROM. Невысокая стоимость программируемых пользователем ПЗУ объясняется тем, что изготовитель выпускает микросхемы без учета их конкретного содержимого, т.е. освобожден от проектирования по специализированным заказам и, следовательно, связанных с этим затрат.

В репрограммируемых ПЗУ (РПЗУ) типов EPROM и EEPROM запоминающими элементами являются транзисторы типов МНОП и ЛИЗМОП (добавление ЛИЗ к обозначению МОП происходит от слов Лавинная Инжекция Заряда).

Рисунок 28 – Запоминающие элементы с плавкими перемычками (а) и диодными парами (б)

МНОП-транзистор отличается от обычного МОП-транзистора двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла расположен тонкий слой двуокиси кремния SiO₂, далее боле толстый слой нитрида кремния Si₃N₄ и затем уже затвор (рисунок 29, а). На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда. Благодаря туннельному эффекту, носители заряда могут проходить через тонкую пленку окисла толщиной не более 5 нм и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. Заряд записывают созданием под затвором напряженности электрического поля, достаточной для возникновения туннельного перехода носителей заряда через тонкий слой SiO₂. На границе раздела диэлектрических слоев можно создавать заряд любого знака в зависимости от направленности электрического поля в подзатворной области. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора.

Для МНОП-транзистора с n-каналом отрицательный заряд на границе раздела слоев повышает пороговое напряжение (экранирует воздействие положительного напряжения на затворе, отпирающего транзистор). При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочие напряжения на затворе транзистора не в состоянии его открыть (создать в нем проводящий канал). Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хранение бита данных в МНОП-транзисторе: отсутствие заряда трактуется как отображение логической единицы, а наличие заряда – логического нуля.

Рисунок 29 – Структуры транзисторов типов МНОП (а) и ЛИЗМОП с двойным затвором (б)

При программировании ПЗУ используются относительно высокие напряжения, около 20 В. После снятия высоких напряжений туннельное прохождение носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзистору пороговое напряжение остается неизменным.

После 10⁴… 10⁶ перезаписей МНОП-транзистор перестает устойчиво хранить заряд. РПЗУ на МНОП-транзисторах энергонезависимы и могут хранить информацию месяцами, годами и десятками лет. Перед новой записью старая информация стирается записью нулей во все запоминающие элементы.

Транзисторы типа ЛИЗМОП всегда имеют так называемый плавающий затвор, который может быть единственным или вторым, дополнительным к обычному (управляющему) затвору. Транзисторы с одним плавающим затвором используются в ЗУ типа EPROM, а транзисторы с двойным затвором пригодны для применения как в EPROM, так и в EEPROM. Рассмотрим более современный тип – ЛИЗМОП-транзистор с двойным затвором (рисунок 29, б).

Принцип работы ЛИЗМОП с двойным затвором близок к принципу работы МНОП-транзистора – здесь также между управляющим затвором и областью канала помещается область, в которую при программировании можно вводить заряд, влияющий на величину порогового напряжения транзистора. Только область введения заряда представляет собою не границу раздела слоев диэлектрика, а окруженную со всех сторон диэлектриком проводящую область (обычно из поликристаллического кремния), в которую, как в ловушку, можно ввести заряд, способный сохраняться в ней в течение очень длительного времени. Эта область и называется плавающим затвором.

При подаче на управляющий затвор исток и сток импульса положительного напряжения относительно большой амплитуды 20…25 В в обратно смещенных p-n переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщается электронами. Часть электронов, имеющих энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера диэлектрической области, проникает в плавающий затвор. Снятие высокого программирующего напряжения восстанавливает обычное состояние областей транзистора и запирает электроны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (в высококачественных приборах многие годы).

Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напряжение транзистора настолько, что в диапазоне рабочих напряжений проводящий канал в транзисторе не создается. При отсутствии заряда в плавающем затворе транзистор работает в обычном ключевом режиме.

Стирание информации может производиться двумя способами – ультрафиолетовым облучением или электрическими сигналами.

В первом случае корпус ИС имеет специальное прозрачное окошко для облучения кристалла. Двуокись кремния и поликремний прозрачны для ультрафиолетовых лучей. Эти лучи вызывают в областях транзистора фототоки и тепловые токи, что делает области прибора проводящими и позволяет заряду покинуть плавающий затвор. Операция стирания информации этим способом занимает десятки минут, информация стирается сразу во всем кристалле. В схемах с УФ-стиранием число циклов перепрограммирования существенно ограничено, так как под действием ультрафиолетовых лучей свойства материалов постепенно изменяются. Число циклов перезаписи у отечественных ИС равно 10…100.

Электрическое стирание информации осуществляется подачей 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 (индивидуально для каждого адреса). Длительность процесса «стирание-запись» значительно меньше, сильно ослабляются ограничения на число циклов перепрограммирования (допускается 10⁴… 10⁶ таких циклов), кроме того, перепрограммировать ПЗУ можно, не извлекая микросхему из устройства, в котором она работает. В то же время схемы с электрическим стиранием занимают больше места на кристалле, в связи с чем уровень их интеграции меньше, а стоимость выше. В последнее время эти недостатки быстро преодолеваются, и электрическое стирание вытесняет УФ-стирание.

П одключение двухзатворных ЛИЗМОП-транзисторов к линиям выборки строк и линиям чтения в матрицах ЗУ показано на рисунке 30. Запись логического нуля осуществляется путем заряда плавающего затвора инжекцией «горячих» электронов в режиме программирования. Стирание информации, под которым понимается удаление заряда из плавающего затвора, приводит к записи во все запоминающие элементы логических единиц, так как в данном случае опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение U_CC на линии считывания.

Рисунок 30 – Схема подключения ЛИЗМОП-транзисторов с двойным затвором к линиям выборки и считывания в РПЗУ

Предшественниками двухзатворных ЛИЗМОП-транзисторов были однозатворные, имевшие только плавающий затвор. Эти транзисторы изготовлялись обычно с p-каналом, поэтому введение электронов в плавающий затвор приводило к созданию в транзисторе проводящего канала, а удаление заряда – к исчезновению такого канала. При использовании таких транзисторов запоминающие элементы состоят из двух последовательно включенных транзисторов: ключевого МОП-транзистора обычного типа для выборки адресованного элемента и ЛИЗМОП-транзистора, состояние которого определяет хранимый бит. Стирание информации производится ультрафиолетовыми лучами.

Энергонезависимость всех ROM, сохраняющих информацию при отключении питания, открывает возможности экономии питания при их эксплуатации и, соответственно, улучшения их теплового режима, что повышает надежность схем. Питание можно подавать только на ИС, к которой в данный момент происходит обращение. Режим импульсного питания может многократно уменьшить потребляемую модулем мощность, но одновременно увеличивает время обращения к ЗУ при одиночных произвольных обращениях, так как после включения питания необходимо время для установления режима ИС.

Флэш-память (Flash-Memory) по типу запоминающих элементов и основным принципам работы подобна памяти типа EEPROM, однако ряд архитектурных и структурных особенностей позволяют выделить ее в отдельный класс. В схемах Флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Понятно, что это позволяет упростить схемы ЗУ, т.е. способствует достижению высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости.

Одновременное стирание всей информации ЗУ реализуется наиболее просто, но имеет тот недостаток, что даже замена одного слова в ЗУ требует стирания и новой записи для всего ЗУ в целом. Для многих применений это неудобно. Поэтому наряду с одновременным стиранием всего содержимого имеются схемы с блочной структурой, в которых весь массив памяти делится на блоки, стираемые независимо друг от друга. Объем таких блоков сильно разнится: от 256 байт до 128 Кбайт и более.

Число циклов репрограммирования для Флэш-памяти хотя и велико, но ограничено, т.е. ячейки при перезаписывании «изнашиваются». Чтобы увеличить долговечность памяти, в ее работе используются специальные алгоритмы, способствующие «разравниванию» числа перезаписей по всем блокам микросхемы. Соответственно областям применения Флэш-память имеет архитектурные и схемотехнические разновидности. Двумя основными направлениями эффективного использования Флэш-памяти являются хранение не очень часто изменяемых данных (обновляемых программ, в частности) и замена памяти на магнитных дисках.

Для первого направления в связи с редким обновлением содержимого параметры циклов стирания и записи не столь существенны, как информационная емкость и скорость считывания информации. Стирание в этих схемах может быть как одновременным для всей памяти, так и блочным. Среди устройств с блочным стиранием выделяют схемы со специализированными блоками (несимметричные блочные структуры). По имени Boot-блоков, в которых информация надежно защищена аппаратными средствами от случайного стирания, эти ЗУ называют Boot Block Flash Memory. Boot-блоки хранят программы инициализации системы, позволяющие ввести ее в рабочее состояние после включения питания.

Микросхемы для замены жестких магнитных дисков (Flash-File Memory) содержат более развитые средства перезаписи информации.

Одним из элементов структуры Флэш-памяти является накопитель (матрица запоминающих элементов). В схемотехнике накопителей развиваются два направления: на основе ячеек типа ИЛИ-НЕ (NOR) и на основе ячеек типа И-НЕ (NAND).

Накопители на основе ячеек ИЛИ-НЕ (с параллельным включением ЛИЗМОП-транзисторов с двойным затвором) обеспечивают быстрый доступ к словам при произвольной выборке. Они приемлемы для разных применений, но наиболее бесспорным считается их применение в памяти для хранения редко обновляемых данных. При этом возникает полезная преемственность с применявшимися ранее ROM и EPROM, сохраняются типичные сигналы управления, обеспечивающие чтение с произвольной выборкой. Структура матрицы накопителя показана на рисунке 31. Каждый столбец представляет собою совокупность параллельно соединенных транзисторов. Разрядные линии выборки находятся под высоким потенциалом. Все транзисторы невыбранных строк заперты. В выбранной строке открываются и передают высокий уровень напряжения на разрядные линии считывания те транзисторы, в плавающих затворах которых отсутствует заряд электронов, и, следовательно, пороговое напряжение транзистора имеет нормальное (неповышенное) значение.

Структуры с ячейками И-НЕ более компактны, но не обеспечивают режима произвольного доступа и практически используются только в схемах замены магнитных дисков. В схемах на этих ячейках сам накопитель компактнее, но увеличивается количество логических элементов обрамления накопителя.

Для улучшения технико-экономических характеристик в схемах Флэш-памяти применяются различные средства и приемы.

Рисунок 31 – Структура матрицы накопителя Флэш-памяти на основе ячеек ИЛИ-НЕ

ЛИТЕРАТУРА

1. Дружинин, А. А. PIC и его команда / А. А. Дружинин. – Рига : MEMEX BALTIC, 1996. – 129 с.

2. Угрюмов, Е. П. Цифровая схемотехника : учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / Е. П. Угрюмов. – Спб. : БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 3

Общие сведения о микроконтроллерах 3

Микроконтроллер PIC16F84 4

Общие сведения 4

Структурная организация 6

Организация памяти 11

Регистр состояния STATUS 15

Регистр OPTION 17

Регистр INTCON 18

Счетчик команд 19

Стек 20

Косвенная адресация данных 21

Порты ввода/вывода 22

Особенности программирования портов 23

Модуль таймера 24

Специальные функции 28

Система команд микроконтроллера PIC16F84 43

ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ 47

Общие сведения и основные параметры запоминающих устройств 47

Классификация ЗУ 50

Основные структуры адресных запоминающих устройств 55

Кэш-память 61

Запоминающие элементы оперативных ЗУ 64

Запоминающие элементы постоянных ЗУ 72

ЛИТЕРАТУРА 82

Учебное издание