Лабораторна робота № 8.

Дослідження Постійного Запам'ятовуючого Пристрою (ПЗП).

Мета: Освоїти принципи побудови постійних запам’ятовуючих пристроїв і дослідити режими роботи, функціональні можливості та характеристики мікросхем постійних запам’ятовуючих пристроїв.

Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench).

 

Основні теоретичні відомості

Постійні запам'ятовуючі пристрої призначені для зберігання одноразово записаної до них інформації, яка має зберігатися навіть за умов знеструмлення комп'ютеру. Такою інформацією є, наприклад, дані і програми, потрібні для завантаження операційної системи та керування роботою зовнішніх пристроїв комп'ютеру (BIOS). Таким чином, постійний запам'ятовуючий пристрій – це пам'ять комп'ютера, призначена для зберігання службових програм і даних, які не можуть бути змінені у процесі його роботи.

Для позначення ПЗП застосовується абревіатура ROM, яка відображає функціональне призначення ПЗП: (Read-Only Memory) – пам'ять тільки для читання.

Постійні запам'ятовуючі пристрої мають більше варіантів побудови ніж оперативні. Мікросхеми пам'яті розташовуються на системній платі комп'ютера, на платі контролерів зовнішніх пристроїв, відеоадаптера та взагалі у контролерах усіх пристроїв комп'ютера, що мають власні керуючі процесори (мікроконтролери). Усі ПЗП є енергонезалежними.

Класифікація та характеристики сучасних ПЗП

За способом організації доступу до пам'яті ПЗП – це пристрої з безпосереднім (довільним) доступом.

За методом пошуку необхідного слова (необхідної ділянки) – це адресні пристрої (тобто інформація відшукується за вказаною адресою).

По типу фізичного середовища,яке здійснює зберігання інформації, ПЗП, як правило є напівпровідниковими пристроями.

За способом зберігання інформації ПЗП мають статичну пам'ять.

За способом запису (перезапису) інформації ПЗП можна класифікувати згідно мал. 8.1.

ЗП типа ROM

МАСОЧНІ ПЗП

ОДНОРАЗОВО ПРОГРАМОВАНІ ПЗП

РЕПРОГРАМОВАНІ ПЗП

З УФ СТИРАННЯМ

З ЕЛЕКТРИЧНИМ СТИРАННЯМ

 

Мал.8.1. Класифікація ПЗП за способом запису (перезапису) інформації.

 

Основними характеристиками мікросхем постійної пам’яті є:

1. Ємність (Обсяг пам'яті). Нагадаємо, що загальна ємність мікросхеми пам’яті це добуток глибини адресного простору (Depth Adress – кількість біт інформації, яке зберігається в комірках кожної матриці) на кількість ліній вводу/виводу (розрядів). Для сучасних ПЗП, в залежності від призначення цей показник може змінюватися в широких межах від декількох Кбайт до декількох Гбайт (FLASH пам’ять).

2. Розрядність. Нагадаємо, що цей показник визначається кількістю бітів розміщених в комірках пам’яті.

3. Швидкодія. Визначається часом доступу для операцій запису або читання інформації. Для сучасних ПЗП він складає одиниці-десятки мкс.

4. Часова діаграма. (або кількість тактів, які необхідні МП для виконання операцій запису або зчитування даних. Читання даних з ПЗП, звичайно, потребує двох тактів.

5. Кількість циклів запису – стирання (Для РПЗП).До 10⁶.

6. Час стирання мікросхеми. Менше 10 мс (для ЕЕРROM).

7. Надійність. Інформація може зберігатися десятки років.

Маскові постійні запам’ятовувальні пристрої.

Мал. 10.2. УГП мікросхеми ПЗП

Самі прості з ПЗП - маскові. Головною властивістю маскових ПЗП є те, що інформація до них записується ще на етапі виготовлення кристалу мікросхеми пам’яті. Для цього використовують спеціальні маски (шаблони), які визначають порядок з'єднань між елементами пам'яті на напівпровідниковому кристалі. Зрозуміло, що таким чином не варто виготовляти декілька сотень мікросхем – мова йде про дійсно великі партії. Саме так виготовляють пам'ять для застосування у автоматах з жорсткою логікою (на зразок пральних машин або відеоплеєрів), для запису програм управління роботою клавіатури, монітора, для використання у якості таблиці знакогенератора матричного принтера, навіть деякі з перших програм керування роботою системної плати ЕОМ – BIOS, були записані до мікросхем такого типу ПЗП.

 

Розглянемо більш детально побудову модулів маскових ПЗП. На мал. 8.2. зображено УГП ПЗП на вісім однорозрядних комірок. Запис конкретного біта в однорозрядну комірку здійснюється підключенням дроту до джерела живлення (запис одиниці) або підключенням дроту до корпусу (запис нуля). Адреси комірок пам’яті в цій мікросхемі подаються на выводи A0... A2. Мікросхема вибирається сигналом CS. Читання мікросхеми відбувається сигналом RD.

 

Для збільшення розрядності комірки пам'яті ПЗП ці мікросхеми з’єднують паралельно. Схема паралельного з’єднання однорозрядних ПЗП приведена на мал. 8.3.

 

Мал. 8.3. Схема багаторозрядного ПЗП.

 

 

Для зменшення об’єму схеми дешифратора, необхідного для роботи ПЗП, застосовують мультиплексор, що виконує і функцію вибору стовпчика матриці елементів, і забезпечує читання інформації шляхом комутації вибраного стовпчика з виходом схеми. Вибір рядка, як звичайно, виконується дешифратором. Така структура має назву 2DM і зображена на мал. 8.4.

Адреса стовпця

Адреса рядка

Масив елементів пам’яті (Маска)

Мал. 8.4. Схема маскового постійного запам’ятовуючого пристрою (структура 2DM).

Програмувальні постійні запам’ятовувальні пристрої.

 

Мал. 10.5. УГП ППЗП.

Більш складний варіант – одноразово програмовані ПЗП. Ця мікросхема має практично ту ж саму структуру, що й масочні ПЗП, але у неї є одна дуже суттєва відмінність: вона виготовляється виробниками "порожньою" і розробники різноманітної комп'ютерної техніки можуть записувати інформацію до неї самостійно (звичайно за умов наявності спеціального обладнання). Програмування таких ПЗП відбувається шляхом електричного перепалення перемичок у мікросхемі або шляхом випалення керуючого переходу у транзисторах. Зрозуміло, що єдиний шлях виправити помилку програмування такого ПЗП – це викинути його у смітник і "пропалити" новий. Такі мікросхеми називаються програмовані ПЗП (ППЗП) і зображаються на принципових схемах як показано на мал. 8.5.

 

Програмовані ПЗП виявилися дуже зручними для малосерійного и середньосерійного виробництва. Але ж при розробці радіоелектронних пристроїв часто приходиться змінювати записану в ПЗП програму. Тому з’явився наступний варіант ПЗП – репрограмовані, які дозволяють багаторазово змінювати записану у ПЗП інформацію за умов попереднього стирання старої.

Репрограмувальні постійні запам’ятовувальні пристрої.

В залежності від методу стирання старої інформації розрізняють репрограмовані ПЗП з електричним та ультрафіолетовим стиранням (ПЗП типу ЕРROM та ЕЕРROM).

Мікросхеми з ультрафіолетовим стиранням – ЕРROM використовують явище зміни структури польового переходу при впливі на нього доволі високою напругою. Ці зміни зберігаються протягом досить тривалого часу. При цьому можливе стирання записаної інформації шляхом опромінення кристалу мікросхеми пам'яті через спеціальний отвір у вигляді скляного віконця. Таки ПЗП застосовували у перших поколіннях різноманітних контролерів заради надання можливості модернізації програм, записаних до них.

Мал. 10.6. Комірка пам’яті ПЗП з ультрафіолетовим та електричним стиранням.

Комірка пам’яті репрограмованого ПЗП (мал. 8.6) являє собою МОН - транзистор, в якому затвор виконується із полікристалічного кремнію. Потім в процесі виготовлення мікросхеми цей затвор окислюється і в результаті він буде оточений оксидом кремнію – якісним діелектриком. В такій комірці при повністю стертому ПЗП заряду в плаваючому затворі немає, і тому транзистор струм не проводить. При програмуванні мікросхеми на другий затвор, який знаходиться над плаваючим затвором, подається висока напруга і в плаваючий затвор за рахунок тунельного ефекту індукуються заряди. Після зняття програмуючої напруги на плаваючому затворі індукований заряд залишається, тобто транзистор залишається в провідному стані. Заряд на плаваючому затворі може зберігатися десятки років.

Структурна схема даного ПЗП не відрізняється від попереднього масочного ПЗП. Єдине, що замість перемички використовується описана вище комірка. При опромінюванні мікросхеми, ізолюючі властивості оксиду кремнію втрачаються і заряд із плаваючого затвора витікає в об’єм напівпровідника і транзистор запам’ятовуючої комірки переходить в закритий стан. Час стирання мікросхеми коливається в межах 10 – 30 хвилин. Кількість циклів запису - стирання знаходиться в діапазоні від 10 до 100 разів, після чого мікросхема виходить з ладу. Репрограмовані ПЗП зображаються на принципових схемах як показано на мал. 8.7.

 

 

Мал. 10.7. УГП РПЗП.

Мікросхеми з електричним стиранням - ЕЕРROM (УГП зображено на мал. 8.8) використовують той самий ефект, що й ПЗП з ультрафіолетовим стиранням, але стирання відбувається за допомогою імпульсу відносно високої напруги на відповідний вхід мікросхеми.У багатьох ПЗП цього типу навіть передбачена часткова заміна інформації. Такі мікросхеми знайшли своє застосування там же де й мікросхеми з ультрафіолетовим стиранням. Але треба прийняти до уваги, що вони значно дорожчі ніж останні.

 

Мал. 8.8. УГП ПЗП з електричним стиранням.