›

Основу пзу составляют микросхемы памяти. Исследование работы оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа на тему

Разработка микропроцессорной системы с заданными параметрами ОЗУ и ПЗУ

Введение

2. Расширение адресного пространств

Заключение

Список литературы

Введение

Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.

Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:

*наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

*требования оптимизации структуры системы для конкретного применения;

*работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

*наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;

*существенное различие функциональных задач;

*высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;

*сложные условия эксплуатации;

*обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.

Целью данной курсовой работы является разработка микропроцессорной системы с заданными параметрами ОЗУ и ПЗУ, а также расчет и проектирование дополнительного ОЗУ и проверка компонентов системы на электрическое взаимодействие.

1. Деление адресного пространства

Существует микропроцессорная система с модулем процессора, обладающим характеристиками:

· тип системной магистрали - с раздельными шинами;

· размер адресного пространства запоминающих устройств (объем ЗУ) - 64 к;

· разрядность шины данных запоминающих устройств - 16;

организация системы ввода/вывода:

· количество портов ввода/вывода - 2048;

· разрядность шины данных портов ввода/вывода - 16;

сигналы шины управления:

· - запись в запоминающее устройство;

· - чтение из запоминающего устройства;

· - запись во внешнее устройство;

· - чтение из внешнего устройства;

Подсоединим к микропроцессорной системе модуль памяти, содержащий: ПЗУ, ОЗУ1 и ОЗУ2.

Количество слов ПЗУ (ПЗУкс) вычислим по формуле:

ПЗУкс=2 ММ =2 01 =2

Количество слов ОЗУ2 (ОЗУ2кс) вычисляем следующим образом:

1. вычислить возможное количество слов Y по формуле:

Y = (ЗУап - ПЗУкс) / 3=(64*1024-2*16)/3=21 (к)

2. полученное количество слов Y округлить до ОЗУ2кс, удовлетворяющей следующим условиям:

а) ОЗУ2кс? Y;

б) ОЗУ2кс кратен 2 n (n = 0, 1, 2, …).

n=4, 2 n =16 ? 21.

Количество слов Y = 16

Количество слов ОЗУ1 (ОЗУ1кс) вычислить по формуле:

1. вычислить возможный объем Y по формуле:

Y = (ЗУап - ПЗУкс - ОЗУ2кс) / 3=(64*1024-2*16-16*16)/3=21 (к)

2. полученное количество слов Y округлить до ОЗУ1кс, удовлетворяющей следующим условиям:

а) ОЗУ1кс? Y;

б) ОЗУ1кс кратен 2 n (n = 0, 1, 2, …)

n=4, 2 n =16 ? 21.

Микросхема ПЗУ содержит: 1 адресный вход по количеству слов, подаваемых на вход, 8 выходов данных для подключения ОЗУ, входы для управляющих сигналов - выбор кристалла и EO - состояние выхода.

Микросхемы ОЗУ1 и ОЗУ2 содержат: по 4 адресных входа, совмещенные входы/выходы данных, входы для управляющих сигналов CS - выбор кристалла, /R-запись/чтение.

Спроектируем элемент микросхемы ПЗУ с помощью инструментария приложения MS Visio 2010 как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Проект микросхемы ПЗУ

Подберем подходящий аналог, воспользовавшись . Предварительно отобразим в таблице назначение выводов микросхем, как показано в Табл. 1.

Таблица 1. Обозначение выводов микросхем памяти

Наименование

Обозначение

Тактовый сигнал

Строб адреса столбца

Строб адреса строки

Выбор микросхемы

Разрешение

Считывание

Запись - Считывание

Разрешение записи

Разрешение по выходу (считывания)

Данные (информация)

Входные данные

Выходные данные

Адрес, данные:вход, выход

Данные: вход, выход

Регенерация

Программирование

Стирание

Напряжение питания

Напряжение программирования

Общий вывод микросхемы

Микросхемы ПЗУ по способу занесения в них информации делятся на три группы: масочные ПЗУ, однократно программируемые по способу шаблона (маски), однократно программируемые по способу прожигания перемычек на кристалле ППЗУ, многократно программируемые пользователем РПЗУ.

При проектировании микросхем, если объем RAM невелик (до 1024 бит), то память набирают из отдельных триггеров. В ином случае пользуются библиотеками готовых модулей памяти. При разработке проекта для ПЛИС готовые модули памяти имеют объем 16, 32, 2048, 4096 бит. В последних сериях ПЛИС объем модуля RAM возрос до 16К или 18К бит. Разрядность модуля RAM может задаваться из ряда: 1,2,4,8 и 16 бит. Запись данных и адреса в модуль RAM всегда выполняется по фронту синхросерии или сигнала записи, т.е. вход модуля можно рассматривать как вход синхронного регистра. Чтение данного чаще всего выполняется в следующем такте после такта приема адреса. Иногда на выходе модуля RAM стоит синхронный регистр, запоминающий прочитанное слово. Запись и чтение из модуля может выполняться по конвейерному принципу: в одном такте записывается адрес нового данного и выдается прочитанное данное по предыдущему адресу. Для формирования RAM большого объема собирают систему из нескольких готовых модулей, дешифратора адреса для селекции модуля и выходного мультиплексора. Различные варианты RAM в лабораторной работе имеют три, две или одну шину. В первом случае шины входного, выходного данного и адреса - раздельны, во втором случае шина входного и выходного данного совмещены и в третьем случае и адрес, и данные передаются по одной шине мультиплексированно.

В соответствии с заданием выберем масочную ПЗУ, структурная схема, которой показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема масочной ПЗУ

Программирование микросхем ПЗУМ осуществляется однократно. Микросхема обладает свойством энергозависимости. Микросхемы ПЗУМ работают в режимах: считывания и хранения. Для считывания информации необходимо подать код адреса и разрешающие сигналы управления.

Подобранный тип микросхемы и соответствующие характеристики изображены на рисунке 3.

Рисунок 3. Вид микросхемы

Выбираем микросхему KP1610PE1. Характеристики микросхемы показаны в таблице 2.

Таблица 2

Тип микросхемы

Емкость, бит

P пит, мВт

Тип выхода

Спроектируем элемент микросхемы ОЗУ с помощью инструментария приложения MS Visio 2010 как показано на рисунке 4.

микросхема запоминающий электрический

Рисунок 4. Проект микросхемы ОЗУ

2. Расширение адресного пространства

К микропроцессорной системе, спроектированной в прошлом разделе, подсоединяем дополнительный модуль оперативного запоминающего устройства (ОЗУд), содержащее N слов. Для определения количества слов памяти необходимо:

1. определить размер свободного, наибольшего, участка адресного

пространства запоминающих устройств, Y;

Y=(ЗУап - ПЗУкс - ОЗУ2кс- ОЗУ1кс) / 3=(64*1024-2*16-16*16-16*16)/3=21 (к)

2. размер Y округлить до N слов удовлетворяющих следующим условиям:

б) N кратен 2 n (n=0,1,2,…).

ОЗУд содержит: 7 адресных входов, совмещенные входы/выходы данных, входы для управляющих сигналов - выбор кристалла, -запись, -чтение.

3. Электрическое взаимодействие микропроцессорных компонентов

Произведем проверку электрического сопряжения элементов микропроцессорной системы, используя принципиальную электрическую схему микропроцессорной системы, реализованную на базе реальных элементов.

В расчетах используем характеристики приведенные ниже.

1. Модуль процессора:

I0вх, мА? - 2

I1вх, мА? 0,05

Uпит, В = 5 ± 5%.

U1вых, В? 2,7

U0вых, В? 0,5

I0вых, мА? 100

I1вых мА? -5

Cвых, пФ? 10

Устройство ввода, устройство ввода/вывод:

I0вх, мА? -1,6

I1вх, мА? 0,04

Uпит, В = 5 ± 5%.

U1вых, В? 2,7

U0вых, В? 0,5

I0вых, мА? 48

I1вых мА? -2,4

Cвых, пФ? 10

Остальные микросхемы в соответствии с паспортными данными.

Заключение

В настоящее время доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения, основой которых являются такие элементы электроники как полупроводниковые приборы. Создание разнообразных и замечательных по своим свойствам полупроводниковых приборов обусловили современные успехи электроники.

Чтобы изучить современную электронику, надо, прежде всего, познать принципы устройства и физические основы работы этих приборов, их характеристики, параметры и важнейшие свойства, определяющие возможности их применения. При этом очень важным являются оперативность и точность получения информации, чему должно способствовать использование различных технических средств.

В данной курсовой работе были разработаны принципиальные электрические схемы и подобраны компоненты микросхем в соответствии с заданным вариантом, а также исследованы возможности их замены и расширения.

Список литературы

1. Лучший поисковик электронных компонентов

2. ***RUSSIAN ELECTRONIC***

3. РадиоФанат

4. Телемастер

5. Промэлектроника

6. РЫНОК МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ (справочник)

7. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СО ВСЕГО МИРА

8. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

9. РадиоЛоцман -- Схемы

10. Митинский радиорынок

11. Конференция «Микроконтроллеры и их применение»

12. ООО "Микро-Чип"

13. Виртуальный магазин DESSY

14. Русскоязычная страница ATMEL

15. Schemes Site (принцип.схемы)

16. СПРАВОЧНИК ПО РАДИОДЕТАЛЯМ

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

    Применение цифровых микросхем для вычисления, управления и обработки информации. Назначение микропроцессора и устройств микропроцессорной системы, их структурная и принципиальная схемы. Системная шина процессора и распределение адресного пространства.

    курсовая работа , добавлен 29.02.2012

    Расчет статического модуля оперативной памяти и накопителя. Построение принципиальной схемы и временной диаграммы модуля оперативного запоминающего устройства. Проектирование арифметико-логического устройства для деления чисел с фиксированной точкой.

    курсовая работа , добавлен 13.06.2015

    Иерархия запоминающих устройств ЭВМ. Микросхемы и системы памяти. Оперативные запоминающие устройства. Принцип работы запоминающего устройства. Предельно допустимые режимы эксплуатации. Увеличение объема памяти, разрядности и числа хранимых слов.

    курсовая работа , добавлен 14.12.2012

    Разработка структуры корпоративной информационной системы. Проектирование адресного пространства. Обоснование выбора аппаратной конфигурации клиентских станций и серверного оборудования. Расчет стоимости оборудования и программного обеспечения системы.

    курсовая работа , добавлен 15.02.2016

    Рассмотрение структурной схемы микропроцессорной системы обработки данных. Описание архитектуры микроконтроллера ATmega161. Расчет оперативного запоминающего устройства. Строение, назначение адаптера параллельного интерфейса, способы его программирования.

    курсовая работа , добавлен 24.09.2010

    Назначение и устройство микропроцессорной системы контроля. Описание функциональной схемы микропроцессорной системы контроля. Расчет статической характеристики канала измерения. Разработка алгоритма функционирования микропроцессорной системы контроля.

    курсовая работа , добавлен 30.08.2010

    Разработка структурной схемы и обобщенного алгоритма работы прибора. Оценка максимальной погрешности линейного датчика давления и нормирующего усилителя. Разработка элементов принципиальной электрической схемы микропроцессорной системы сбора данных.

    курсовая работа , добавлен 08.02.2015

    Анализ вариантов проектных решений и выбор на его основе оптимального решения. Синтез функциональной схемы микропроцессорной системы на основе анализа исходных данных. Процесс разработки аппаратного и программного обеспечения микропроцессорной системы.

    курсовая работа , добавлен 20.05.2014

    Структура аппаратуры передачи информации. Разработка передающей и приемной части в соответствии с заданными параметрами. Разработка функциональной схемы устройства преобразования сигналов и устройства защиты от ошибок, алгоритм его функционирования.

    курсовая работа , добавлен 12.03.2009

    Структура корпоративной информационной системы организации. Разработка адресного пространства и системы DNS. Структура домена КИС. Выбор аппаратной и программной конфигурации рабочих станций и серверного оборудования. Конфигурирование типовых сервисов.

ОЗУ (англ. RAM) и ПЗУ (англ. ROM) - это цифровые накопители информации. Их применяют, если внутренних ресурсов MK по тем или иным причинам недостаточно. Для сравнения, объём памяти данных MK составляет 0.5…8 Кбайт, объём памяти программ - 2…256 Кбайт. Подключить же к MK можно ещё одну или несколько внешних микросхем ОЗУ ёмкостью 32…512 Кбайт или флэш-ПЗУ ёмкостью 0.5…128 Мбайт. Увеличение вычислительных ресурсов налицо.

Обобщённые структурные схемы ОЗУ и ПЗУ во многом совпадают (Рис. 3.8). Базой служит прямоугольная матрица ячеек памяти, доступ к которой осуществляется через линии адреса AO…An, а чтение/запись - через двунаправленную шину данных I/OO…I/Ok. Многочисленные разновидности ОЗУ и ПЗУ отличаются друг от друга логикой формирования сигналов управления CS, WR, RD, а также наличием или отсутствием мультиплексирования адресных линий.

Рис. 3.8. Структурная схема ОЗУ (ПЗУ).

Внешние ПЗУ лучше использовать «низковольтные» электрически перезаписываемые (ключевое слово «Flash»). Напряжение программирования у них составляет 5 В в отличие от 12…27 В в старинных «высоковольтных» ПЗУ 27C256, КР573РФ6А, которые применять сейчас совместно с MK не имеет смысла.

Типовое время хранения информации в флэш-ПЗУ достигает 10…40 лет при 0.1…1 млн циклов перезаписи. Различают последовательные и параллельные флэш-ПЗУ. Первые из них малогабаритные, маловыводные, но они имеют низкую скорость доступа и невысокую ёмкость. Пример - серии 24Cxxx, 93Cxx. Для подключения таких ПЗУ к MK применяют двух или трёхпроводные интерфейсы PC, SPI. В противовес этому параллельные флэш-ПЗУ обладают большим объёмом памяти, хорошим быстродействием, но требуют для сопряжения с MK много выводов (два-три свободных 8-битных порта). Пример - серии 28Fxxx, 29Cxxx.

Внешние ОЗУ имеют высокую скорость записи и чтения, но информация в них теряется при выключении питания. Для сопряжения ОЗУ с MK используют обе линии портов. Иногда выгоднее их перевести в специальный режим «External RAM», при котором область внешнего ОЗУ включается в общую карту памяти. Поддерживает ли конкретный MK подобный режим, можно определить по специфическим названиям линий портов в его условном обозначении. Например, на Рис. 3.9 это «АР0»…«АР7» (шина данных/адреса), «А8»…«А15» (старшие разряды шины адреса), «ALE», «WR», «RD» (сигналы управления).

На Рис. 3.10, а…и приведены схемы подключения внешней памяти к MK.

а) микросхема DS1 (фирма Samsung) - это «интеллектуальное» перепрограммируемое ПЗУ с собственой системой команд. Применяется, в частности, в USB-накопителях;

Рис. 3.9. Расположение выводов и названия сигналов в MK Atmel ATmega8515.

б) 16-разрядная информация в динамическом ОЗУ DS1 (фирма OKI) передаётся/принимается через выводы «1/01»…«1/04» последовательно во времени четырьмя блоками;

Рис. ЗЛО. Схемы подключения внешней памяти к MK (продолжение):

в) шина адреса «А0»…«А18» и шина данных «Ю0»…«Ю7» статического ОЗУ DS1 (фирма Samsung) мультиплексируются регистрами DD1, DD2. По фронтам сигналов F1, F2 в регистрах за два раза защёлкивается полный адрес ячейки. Недостающие адреса формируются прямо от MK («R0»…«R2»). При чтении/записи ОЗУ («*RD»/«*WR») работают 8 верхних линий MK;

г) DS1 - это ферроэлектрическое последовательное «ОЗУ/ПЗУ» FRAM (фирма Ramtron), подключаемое к MK по шине PC. При поданном питании FRAM эквивалентна ОЗУ, а при выключенном - ПЗУ. Число перезаписей не ограничено (!), время хранения информации 45 лет;

д) подключение последовательного ОЗУ DS1 (64Kx8) к MK через трёхпроводной интерфейс и «антизвонные» резисторы R2…R4;

Рис. 3.10. Схемы подключения внешней памяти к MK (продолжение):

е) в регистре DD1 хранятся младшие 8 бит шины адреса. Старшие 7 бит подаются от MK непосредственно на ОЗУ DS1 фирмы Hitachi. MK работает в режиме «External RAM». На вход «СЕ» ОЗУ DS1 вместо общего провода можно подать сигнал разрешения со свободного выхода MK. Это позволяет снизить общий расход энергии от источника питания, поскольку при ВЫСОКОМ уровне на входе «СЕ» микросхема DS1 переходит в экономичный режим хранения данных;

ж) подключение к MK последовательного флэш-ОЗУ DS1 фирмы Atmel. Если переключатель S1 замкнут, то в ОЗУ нельзя записывать данные, это режим защиты. Резисторы R3, R4 в некоторых схемах отсутствуют. Замена DS1 - любое ОЗУ большей/меньшей ёмкости из семейства DataFlash AT45DB фирмы Atmel, включая устаревшие модели AT45DB081B-CNU;

Рис. 3.10. Схемы подключения внешней памяти к MK (окончание):

з) при прямом подключении флэш-ПЗУ DS1 (фирма AMD) к MK требуется большое количество свободных линий портов. Некоторые выходные линии MK, например, «А7», могут быть одновременно задействованы для управления другими узлами, однако делать это допускается только тогда, когда отсутствует обращение к ПЗУ, т.е. при ВЫСОКОМ уровне сигнала «ОЕ»;

и) увеличение ёмкости ОЗУ за счёт параллельного соединения микросхем DSl…DSn. Каждое из подключённых ОЗУ имеет собственный сетевой программный адрес, который определяется разными логическими уровнями на входах «АО», «А1», «А2».

61 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

5.2. Постоянные запоминающие устройства

5.2.1. Принципы построения схем ПЗУ

Постоянные запоминающие устройства представляют собой память с произвольным обращением, допускающую лишь считывание данных. Типовая структура ПЗУ показана на рис.5.12а. Схема ПЗУ имеет много общего со схемой ОЗУ (рис.5.5).

Рис. 5.12. ПЗУ с организацией 16 слов х 1 разряд:

а – схема, б – УГО

В узлах матрицы, образованной системой горизонтальных и вертикальных шин, включены элементы памяти - транзисторы. В качестве элементов памяти в накопителях ПЗУ могут использоваться как биполярные, так и МОП-транзисторы. Базы (затворы) транзисторов подключены к горизонтальным (адресным) шинам, эмиттеры (истоки) через перемычку соединены с вертикальными (разрядными) шинами.

Наличие перемычки означает хранение в элементе памяти 1. Если перемычка (или транзистор) отсутствуют, это означает, что в элементе хранится 0.

К адресным шинам подключены выходы дешифратора, на входы которого поступает часть разрядов адресного кода. Разрядные шины соединены с входами мультиплексора, на адресные входы которого подается вторая часть адресного кода ПЗУ. Мультиплексор имеет выход с

тремя состояниями (если G 1 = G 2 = 0 , то на выход Q проходит один из информационных сигналов, если один из сигналов не равен 0, то выход Q в третьем состоянии).

При поступлении адресного кода на одной из адресных шин Y i

установится высокий уровень напряжения, открывающий транзисторы - элементы накопителя одной строки. Транзисторы через перемычки передают высокий уровень на соответствующие разрядные шины. Если на пересечении некоторых вертикальных шин с выбранной строкой перемычки отсутствуют, то на этих шинах останется низкий уровень. Сигналы разрядных шин поступают на входы мультиплексора, который передает один из сигналов на выход Q . Какая из разрядных шин подключается к выходу, зависит от части адресного кода ПЗУ, поступающего на входы адреса мультиплексора. Таким образом, выходной сигнал ПЗУ определяется данными, хранимыми на одном из элементов накопителя.

Микросхемы ПЗУ имеют (как и ИС ОЗУ) вход выбора CS . Некоторые ИС ПЗУ имеют также вход для подачи сигнала разрешения по

входу CEO (при сигнале CEO = 1 выход переводится в третье состояние,

при CEO = 0 режим работы ПЗУ определяется сигналами на остальных входах). Условное обозначение схемы ПЗУ показано на рис. 5.12б (ROM - Read Only Memory).

Строение элемента памяти ПЗУ намного проще, чем ОЗУ. Поэтому на той же площади накопителя можно построить ЗУ с большей информационной емкостью. Записанная в ПЗУ информация сохраняется при отключении питания, что делает удобным хранение в ПЗУ стандартных программ вычислительных машин и т.п. ПЗУ можно использовать в качестве универсальной комбинационной схемы. Входные переменные схемы поступают на адресные входы ПЗУ. Значение выходной переменной, отвечающее каждой комбинации входных, должно быть записано в элементе ПЗУ с соответствующим адресом. Если таблица состояний содержит m входных переменных, то по каждому адресу записывается m -разрядное слово данных. Промышленностью

63 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

выпускаются ИС ПЗУ для использования в качестве преобразования кодов, контроллеров, знакогенераторов, формирователей сигналов и т.п.

Запись данных в ПЗУ может осуществляться в процессе изготовления микросхемы. При этом с помощью специальной металлической маски в схеме накопителя формируется требуемый вариант соединения элементов памяти с разрядными шинами. Такие микросхемы памяти называют масочно-программируемыми, или масочными ПЗУ.

Примеры ИС:

К155ПР6 и К155ПР7 - преобразователи двоично-десятичного кода в двоичный и двоичного в двоично-десятичный, построены с использованием масочного ПЗУ емкостью 256 бит на основе ТТЛэлементов.

КР1610РЕ1 - масочное ПЗУ на n-МОП структурах емкостью 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выбора - 340 нс, время выборки сигнала разрешения по выходу - 80 нс.

5.2.2. Программируемые ПЗУ

Программируемыми называют постоянные запоминающие устройства, которые допускают запись информации после изготовления микросхемы. Принцип записи данных в такие программируемые ПЗУ (ППЗУ) можно пояснить следующим образом. В исходном состоянии во всех элементах накопителя ПЗУ (рис. 5.12) установлены перемычки (например, нихромовые), что соответствует записи 1 по всем адресам. Устанавливая адрес элемента, в котором надо записать 0, и подавая в определенной последовательности повышенные импульсные напряжения на вывод питания и выход данных (часто имеется и специальный вывод для подачи напряжения программирования), можно расплавить перемычку этого элемента. Как было показано выше, отсутствие перемычки в некотором элементе и означает, что в нем записан 0. Для записи данных в ПЗУ используют специальные устройства, называемые программаторами.

Примеры ИС:

КР556РТ5 - программируемое ПЗУ на основе ТТЛ-элементов с диодами Шоттки емкостью 4096 бит (512 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 80 нс.

ППЗУ с плавкими перемычками, пережигаемые мощными импульсами тока, могут программироваться только один раз. Устройства, допускающие многократную запись данных, называются репрограммируемыми ПЗУ (РПЗУ). Элементом памяти РПЗУ является лавинно-инжекционный МОП-транзистор с двумя затворами, один из

которых подключается к горизонтальной адресной шине, а второй изолирован и является плавающим. Пороговое напряжение МОПтранзистора в исходном состоянии близко к нулю. При подаче высокого уровня на затвор, соединенный с адресной шиной, транзистор открывается и на соответствующей вертикальной шине появляется сигнал, соответствующий записанной в элементе 1. При программировании прикладывается большое напряжение между стоком и истоком. Это вызывает инжекцию электрического заряда в область плавающего затвора, в результате чего пороговое напряжение МОП-транзистора увеличивается. Когда при выборке элемента на затвор через адресную шину поступает высокий уровень напряжения, транзистор остается закрытым и на соответствующей разрядной шине напряжение не увеличивается. Это означает, что в элементе записан «0». Заряд в плавающем затворе сохраняется очень долго (десятки тысяч часов). Записанная в РПЗУ информация может быть стерта, если кристалл накопителя осветить ультрафиолетовым излучением. При этом заряд плавающего затвора исчезает и во всех элементах памяти восстанавливается 1. После стирания РПЗУ может быть снова запрограммировано.

Кроме РПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением, имеются устройства постоянной памяти с электрическим стиранием. В таком РПЗУ элемент памяти представляет собой МОП-структуру с изоляцией нитридом кремния.

Примеры ИС:

К573РР2 - репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием. Информационная емкость 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 350 нс. Время хранения информации - не менее 15 тыс. часов.

К573РФ2 - репрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Информационная емкость - 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 450 нс. Время хранения информации - не менее 25 тыс. часов. Микросхема имеет специальное окно для ультрафиолетового облучения (в режиме хранения оно должно быть закрыто). Условное обозначение РПЗУ приведено на рис. 5.13 (EPROM – Erasable Programmable ROM), UPR – напряжение программирования. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу ЗУ в режиме считывания, показаны на рис. 5.14.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2

65 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Рис. 5.13. Репрограммируемое ПЗУ К573РФ2 емкостью 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов)

Рис. 5.14. Временные диаграммы работы РПЗУ К573РФ2 в режиме считывания

3.1.Микросхемы памяти

Преимущество памяти, изображенной на рис. 3.28, состоит в том, что подобная структура применима при разработке памяти большого объема. Мы нарисовали схему 4x3 (для 4 слов по 3 бита каждое). Чтобы расширить ее до размеров 4x8, нужно добавить еще 5 колонок триггеров по 4 триггера в каждой, а также 5 входных и 5 выходных линий. Чтобы перейти от размера 4x3 к размеру 8x3, мы должны добавить еще четыре ряда триггеров по три триггера в каждом, а также адресную линию А2. При такой структуре число слов в памяти должно быть степенью двойки для максимальной эффективности, а число битов в слове может быть любым. Поскольку технология изготовления интегральных схем хорошо подходит для

производства микросхем с внутренней структурой повторяемой плоской поверхности, микросхемы памяти являются идеальным применением для этого. С развитием технологии число битов, которое можно вместить в одной микросхеме, постоянно увеличивается, обычно в два раза каждые 18 месяцев (закон Мура). С появлением больших микросхем маленькие микросхемы не всегда устаревают из-за компромиссов между преимуществами емкости, скорости, мощности, цены и сопряжения. Обычно самые большие современные микросхемы пользуются огромным спросом и, следовательно, стоят гораздо дороже за 1 бит, чем микросхемы небольшого размера.

При любом объеме памяти существует несколько различных способов орга-

низации микросхемы. На рис. 3.30 показаны две возможные структуры микросхемы в 4 Мбит: 512 Кх8 и 4096 Kxl. (Размеры микросхем памяти обычно даются в битах, а не в байтах, поэтому здесь мы будем придерживаться этого соглашения.) На рис. 3.30, а можно видеть 19 адресных линий для обращения к одному из 219 байтов и 8 линий данных для загрузки или хранения выбранного байта.

Сделаем небольшое замечание по поводу терминологии. На одних выводах

высокое напряжение вызывает какое-либо действие, на других - низкое напряжение. Чтобы избежать путаницы, мы будем употреблять термин «установить сигнал»,когда вызывается какое-то действие, вместо того чтобы говорить, что напряжение повышается или понижается. Таким образом, для одних выводов установка сигнала значит установку на 1, а для других - установку на 0. Названия выводов, которые устанавливаются на 0, содержат сверху черту. Сигнал CS устанавливается на 1, а сигнал CS - на 0. Противоположный термин - «сбросить».

А теперь вернемся к нашей микросхеме. Поскольку обычно компьютер содержит много микросхем памяти, нужен сигнал для выбора необходимой микросхемы, такой, чтобы нужная нам микросхема реагировала на вызов, а остальные нет.

Сигнал CS (Chip Select - выбор элемента памяти) используется именно для этой цели. Он устанавливается, чтобы запустить микросхему. Кроме того, нужен способ отличия считывания от записи. Сигнал WE (Write Enable - разрешение записи) используется для указания того, что данные должны записываться, а не считываться. Наконец, сигнал (Ж (Output Enable - разрешение выдачи выходных сигналов) устанавливается для выдачи выходных сигналов. Когда этого сигнала нет, выход отсоединен от остальной части схемы. На рис. 3.30, б используется другая схема адресации. Микросхема представляет собой матрицу 2048x2048 однобитных ячеек, что составляет 4 Мбит. Чтобы обратиться к микросхеме, сначала нужно выбрать строку. Для этого И-битный номер этой строки подается на адресные выводы. Затем устанавливается сигнал RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки). После этого на адресные выводы подается номер столбца и устанавливается сигнал CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). Микросхема реагирует на сигнал, принимая или выдавая 1 бит данных.

Большие микросхемы памяти часто производятся в виде матриц mxn, обращение к которым происходит по строке и столбцу. Такая организация памяти сокращает число необходимых выводов, но, с другой стороны, замедляет обращение к микросхеме, поскольку требуется два цикла адресации: один для строки, а другой для столбца. Чтобы ускорить этот процесс, в некоторых микросхемах можно вызывать адрес ряда, а затем несколько адресов столбцов для доступа к последовательным битам ряда.

Много лет назад самые большие микросхемы памяти обычно были устроены

так, как показано на рис. 3.30, б. Поскольку слова выросли от 8 до 32 битов и выше, использовать подобные микросхемы стало неудобно. Чтобы из микросхем 4096 Kxl построить память с 32-битными словами, требуется 32 микросхемы, работающие параллельно. Эти 32 микросхемы имеют общий объем, по крайней мере, 16 Мбайт. Если использовать микросхемы 512 Кх8, то потребуется всего 4 микросхемы, но при этом объем памяти будет составлять 2 Мбайт. Чтобы избежать наличия 32 микросхем, большинство производителей выпускают семейства микросхем с длиной слов 1,4, 8 и 16 битов.

3.2.ОЗУ и ПЗУ

Все виды памяти, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одно общее свойство: в них можно и записывать информацию, и считывать ее. Такая память называется ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Существует два типа ОЗУ: статическое и динамическое. Статическое ОЗУ конструируется с использованием D-триггеров. Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание: секунды, минуты, часы и даже дни. Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня.

В динамическом ОЗУ, напротив, триггеры не используются. Динамическое

ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженными, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку данных. Поскольку об обновлении должна заботиться внешняя логика, динамическое ОЗУ требует более сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток компенсируется большим объемом.

Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), динамическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микросхему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динамических ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств.

Существует несколько типов динамических ОЗУ. Самый древний тип, кото-

рый все еще используется, - FPM (Fast Page Mode - быстрый постраничный режим). Это ОЗУ представляет собой матрицу битов. Аппаратное обеспечение представляет адрес строки, а затем - адреса столбцов (мы описывали этот процесс, когда говорили об устройстве памяти, показанном на рис. 3.30, 6).

FPM постепенно замещается EDO1 (Extended Data Output - память с расши-

ренными возможностями вывода), которая позволяет обращаться к памяти еще до того, как закончилось предыдущее обращение. Такой конвейерный режим не ускоряет доступ к памяти, но зато увеличивает пропускную способность, выдавая больше слов в секунду. И FPM, и EDO являются асинхронными. В отличие от них так называемое синхронное динамическое ОЗУ управляется одним синхронизирующим сигналом. Данное устройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ. Синхронное динамическое ОЗУ часто используется при производстве кэш-памяти большого объема. Возможно, данная технология в будущем станет наиболее

предпочтительной и в изготовлении основной памяти.

ОЗУ - не единственный тип микросхем памяти. Во многих случаях данные

должны сохраняться, даже если питание отключено (например, если речь идет об игрушках, различных приборах и машинах). Более того, после установки ни программы, ни данные не должны изменяться. Эти требования привели к появлению ПЗУ (постоянных запоминающих устройств), которые не позволяют изменять и стирать хранящуюся в них информацию (ни умышленно, ни случайно). Данные записываются в ПЗУ в процессе производства. Для этого изготавливается трафарет с определенным набором битов, который накладывается на фоточувствительный материал, а затем открытые (или закрытые) части поверхности вытравливаются.

Единственный способ изменить программу в ПЗУ - поменять целую микросхему. ПЗУ стоят гораздо дешевле ОЗУ, если заказывать их большими партиями, чтобы оплатить расходы на изготовление трафарета. Однако они не допускают изменений после выпуска с производства, а между подачей заказа на ПЗУ и его выполнением может пройти несколько недель. Чтобы компаниям было проще разрабатывать новые устройства, основанные на ПЗУ, были выпущены программируемые ПЗУ. В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях эксплуатации, что позволяет сократить время выполнения заказа. Многие программируемые ПЗУ содержат массив крошечных плавких перемычек. Можно пережечь определенную перемычку, если выбрать нужную строку и нужный столбец, а затем приложить высокое напряжение к определенному выводу микросхемы.

Следующая разработка этой линии - стираемое программируемое ПЗУ, которое можно не только программировать в условиях эксплуатации, но и стирать с него информацию. Если кварцевое окно в данном ПЗУ подвергать воздействию сильного ультрафиолетового света в течение 15 минут, все биты установятся на 1.

Если нужно сделать много изменений во время одного этапа проектирования, стираемые ПЗУ гораздо экономичнее, чем обычные программируемые ПЗУ, поскольку их можно использовать многократно. Стираемые программируемые ПЗУ обычно устроены так же, как статические ОЗУ. Например, микросхема 27С040 имеет структуру, которая показана на рис. 3.30, а, а такая структура типична для статического ОЗУ.

Следующий этап - электронно-перепрограммируемое ПЗУ, с которого мож-

но стирать информацию, прилагая к нему импульсы, и которое не нужно для этого помещать в специальную камеру, чтобы подвергнуть воздействию ультрафиолетовых лучей. Кроме того, чтобы перепрограммировать данное устройство, его не нужно вставлять в специальный аппарат для программирования, в отличие от стираемого программируемого ПЗУ, Но с другой стороны, самые большие электронно-перепрограммируемые ПЗУ в 64 раза меньше обычных стираемых ПЗУ, и работают они в два раза медленнее. Электронно-перепрограммируемые ПЗУ не могут конкурировать с динамическими и статическими ОЗУ, поскольку они работают в 10 раз медленнее, их емкость в 100 раз меньше, и они стоят гораздо дороже. Они

используются только в тех ситуациях, когда необходимо сохранение информации при выключении питания.

Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ - флэш-память. В отличие от стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультрафиолетовых лучей, и от электронно-программируемого ПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками. Как и любое электронно-перепрограммируемое ПЗУ, флэш-память можно стирать, не вынимая ее из микросхемы. Многие изготовители производят небольшие печатные платы, содержащие десятки мегабайтов флэш-памяти. Они используются для хранения изображений в цифровых камерах и для других целей. Возможно, когда-нибудь флэш-память вытеснит диски, что будет грандиозным шагом вперед, учитывая время доступа в 100 не. Основной технической проблемой в данный момент является то, что флэш-память изнашивается после 10 000 стираний, а диски могут служить годами независимо от того, сколько раз они перезаписывались. Краткое описание

различных типов памяти дано в табл. 3.2.

Лекция 8. Микросхемы управления и сопряжения.

1. Микросхемы процессора.

2. Шины и принципы их работы.

3. Средства сопряжения.

ПЗУ – память, информация в которой, будучи однажды записанной, изменению не подлежит. Например, программа загрузки в ОЗУ микропроцессорной системы информации из внешней памяти. Все типы ПЗУ используют один и тот же принцип построения схемы. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединения между шинами адреса и данных.

Условное графическое обозначение ПЗУ представлено на рис.26.10.

Рис.26.10. Условное графическое обозначение ПЗУ

Рис. 26.11. Схема ПЗУ

На рис. 26.11 приведена схема простейшего ПЗУ. Для реализации ПЗУ достаточно использовать дешифратор, диоды, набор резисторов и шинные формирователи. Рассматриваемое ПЗУ содержит разрядных слова, т.е. его общий объем составляет 32 бит. Количество столбцов определяет разрядность слова, а количество строк – количество 8 разрядных слов. Диоды устанавливаются в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического «0» (дешифратор подает 0 на выбранную строку). В настоящее время вместо диодов ставят МОП-транзисторы.

В табл. 26.1 приведено состояние ПЗУ, схема которого приведена на рис. 26.11.

Таблица 26.1

Состояние простого ПЗУ

Слово Двоичное представление
А0 А1 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8

Как правило, ПЗУ имеют многоразрядную организацию со структурой 2DM . Технологии изготовления самые разнообразные – КМОП, n-МОП, ТТЛ(Ш) и диодные матрицы.

Все ПЗУ можно разделить на следующие группы: программируемые при изготовлении (масочные), с однократным программированием и перепрограммируемые.

В запоминающих устройствах, программируемых при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывается непосредственно в процессе их изготовления с помощью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса. Такие ПЗУ называемые масочными, построены на диодах, биполярных или МОП транзисторах.

Область использования масочных ПЗУ – хранение стандартной информации, например знакогенераторы (коды букв латинского и русского алфавита), таблицы типовых функций (синусы, квадратичные функции), стандартное программное обеспечение.

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM ) – ПЗУ с возможностью однократного электрического программирования. Этот вид памяти позволяет пользователю однократно запрограммировать микросхему памяти с помощью программаторов.

Микросхемы ППЗУ построены на запоминающих ячейках с плавкими перемычками. Процесс программирование заключается в избирательном пережигании плавких перемычек с помощью импульсов тока достаточной амплитуды и длительности. Плавкие перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов.

На рис. 26.12 приведена схема ППЗУ с плавкими перемычками. Оно изготавливается со всеми диодами и перемычками, т.е. в матрице все «0», а при программировании пережигаются те перемычки, в ячейках которых должны быть логические «1».

Рис. 26.12. Фрагмент схемы ППЗУ

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ и РПЗУ УФ) – ПЗУ с возможностью многократного электрического программирования. В ИС РПЗУ УФ (EPROM ) старая информация стирается с помощью ультрафиолетовых лучей, для чего в корпусе микросхемы имеется прозрачное окошко; в РПЗУ (EEPROM ) – с помощью электрических сигналов.

Запоминающие ячейки РПЗУ строятся на n -МОП или КМОП транзисторах. Для построения ЗЭ используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.

В первом варианте диэлектрик под затвором МОП транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния. Этот транзистор называется МНОП: металл – нитрид кремния – окисел – полупроводник. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата зарядов. Благодаря туннельному эффекту носители заряда могут проходить сквозь тонкую пленку окисла и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд, являющийся носителем информации, хранимой МНОП-транзистором, приводит к изменению порогового напряжения транзистора. При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочее напряжение на затворе транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует, легко открывается. Одно из состояний определено как логическая единица, второе – ноль.

Во втором варианте затвор МОП транзистора делают плавающим, т.е. не связанным с другими элементами схемы. Такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения. В результате заряд на плавающем затворе влияет на ток стока, что используется при считывании информации, как и в предыдущем варианте с МНОП транзистором. Такие транзисторы получили название ЛИЗМОП (МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда). Так как затвор транзистора окружен изолятором, ток утечки очень мал и информация может храниться достаточно долго (десятки лет).

В РПЗУ с электрическим стиранием над плавающим затвором транзистора размещают второй – управляющий затвор. Подача напряжения на него вызывает рассасывание заряда на плавающем затворе за счет туннельного эффекта. РПЗУ имеют весомые преимущества перед РПЗУ УФ, так как не требуют для перепрограммирования специальных источников ультрафиолетового света. ЗУ с электрическим стиранием практически вытеснили ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

Фрагмент схемы РПЗУ с использованием двухзатворных транзисторов типа ЛИЗМОП показан на рис. 26.13. Запись логического нуля осуществляется в режиме программирования с помощью заряда плавающего затвора. Стирание информации, т.е. разряд плавающего затвора, означает запись логической единицы. В этом случае при подаче сигнала по линии выборки опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение U ПИТ на линии считывания.

Современные РПЗУ имеют информационную емкость до 4 Мбит при тактовой частоте до 80 МГц.

26.5. Flash -память

Основные принципы работы и тип запоминающих элементов Flash -памяти аналогичны ППЗУ с электрической записью и стиранием информации, построенной на транзисторах с плавающим затвором. Как правило, благодаря своим особенностям, Flash -память выделяют в отдельный класс. В ней производится стирание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдельных слов. Это позволяет исключить схемы управления записью и стиранием отдельных байтов, что дает возможность значительно упростить схему ЗУ и достичь высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости.

Рис.26.13. Фрагмент схемы РПЗУ

Современные тенденции развития электронных приборов требуют постоянного увеличения объема используемой памяти. На сегодня инженеру доступны микросхемы как энергозависимой памяти типа DRAM , которую характеризуют предельно низкая цена за бит и большие уровни интеграции, так и энергонезависимой Flash -памяти, себестоимость которой постоянно снижается и стремится к уровню DRAM .

Потребность в энергонезависимой Flash -памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе Flash -памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в Flash -памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, Flash -память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И-НЕ). Структура NOR (рис. 26.14, а) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис. 26.14, б) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.

Рис.26.14. Структуры на основе NOR (a) и NAND (б)

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR . Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-Flash лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-Flash ниже, чем в других технологиях Flash -памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Более детально особенности микросхем Flash -памяти можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY 27xx(08/16)1G 1M фирмы Hynix . На рис. 26.15 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов.

Микросхема имеет следующие выводы:

I/O 8-15 – вход/выход данных для х16 устройств

I/O 0-7 – вход/выход данных, адресный вход или вход команд для х8 и х16 устройств;

ALE – включение адресной защелки;

CLE – включение защелки команд;

– выбор кристалла;

– разрешение чтения;

– чтение/занят (выход с открытым стоком);

– разрешение записи;

– защита от записи

V CC – напряжение питания;

V SS – общий вывод.

Рис.26.15. Схема внешних выводов (а), назначение выводов (б) и структурная схема (в) Flash -памяти

Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read ). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.26.16. Организация массива памяти NАND -структуры

Массив памяти NAND -структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис. 26.16).

Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC ), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block ) основной области. В 8-битных устройствах страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В 16-ти битных устройствах страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Память на основе ячеек NOR имеет сравнительно большие времена стирания и записи, но обладает доступом к каждому биту на чтение. Данное обстоятельство позволяет применять такие микросхемы для записи и хранения программного кода, который не требует частого перезаписывания. Такими применениями могут быть, например, BIOS для встраиваемых компьютеров или ПО для телевизионных приставок.

Свойства NAND-Flash определили область ее применения: карты памяти и иные устройства хранения данных. Сейчас данный тип памяти применяется почти повсеместно в мобильных устройствах, фото- и видеокамерах и т.д. NAND-Flash лежит в основе практически всех типов карт памяти: SmartMedia , MMC , SecureDigital, MemoryStick

Достигнутая в настоящее время информационная емкость Flash -памяти достигает 8ГБит, типовая совокупная скорость программирования и стирания составляет до 33.6 мС / 64 кБ при тактовой частоте до 70 МГц.

Двумя основными направлениями эффективного использования Flash -памяти являются хранение редко изменяемых данных и замена памяти на магнитных дисках. Для первого направления используется Flash -память с адресным доступом, а для второго – файловая память.

26.6. ОЗУ типа FRAM

FRAM – оперативное энергонезависимое ЗУ, сочетающее высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, присущие ОЗУ, со свойством хранения данных при отсутствии приложенного напряжения.

В сравнении с EEPROM и Flash -памятью время записи данных в ЗУ этого типа и потребляемая мощность намного меньше (менее 70 нс против нескольких миллисекунд), а ресурс по циклам записи намного выше (не менее 10 11 против 10 5 …10 6 циклов для EEPROM ).

FRAM должна стать в ближайшем будущем самой популярной памятью в цифровых устройствах. FRAM будет отличаться не только быстродействием на уровне DRAM , но и возможностью сохранять данные при отключении энергии. Словом, FRAM может вытеснить не только медленную Flash , но и обычную ОЗУ типа DRAM . Сегодня ферроэлектрическая память находит ограниченное применение, к примеру, в RFID -тэгах. Ведущие компании, в числе которых Ramtron, Samsung, NEC, Toshiba , активно развивают FRAM . Примерно к 2015 году на рынок должны поступить n -гигабайтные модули FRAM .

Указанные свойства FRAM обеспечивает сегнетоэлектрик (перовскит), используемый в качестве диэлектрика накопительного конденсатора ячейки памяти. При этом сегнетоэлектрическое ЗУ хранит данные не только в виде заряда конденсатора (как в традиционных ОЗУ), но и виде электрической поляризации кристаллической структуры сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрический кристалл имеет два состояния, которые могут соответствовать логическим 0 и 1.

Термин FRAM еще не устоялся. Первые FRAM получили название – ферродинамические ОЗУ. Однако в настоящее время в качестве запоминающих ячеек используется сегнетоэлектрик и сейчас FRAM часто называют сегнетоэлектрическим ОЗУ.

Первые FRAM имели 2Т /2С -архитектуру (рис.26.17, а), на основе которой выполняется и большинство современных микросхем сегнетоэлектрической памяти. Ячейка такого типа, в которой каждому биту соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определить разницу зарядов с высокой точностью. А благодаря считыванию дифференциального сигнала исключается влияние разброса параметров конденсаторов ячеек. Позже появились FRAM с архитектурой 1Т /1С (рис.26.17, б). Достоинство микросхем с такой архитектурой – меньшая, чем в обычных схемах площадь ячейки и, следовательно, меньшая стоимость микросхемы в пересчете на единицу информационной емкости.

На рис.26.18 приведена структурная схема сегнетоэлектрического ОЗУ (FRAM ) объемом 1 Мбит и параллельным интерфейсом доступа FM 20L 08 фирмы Ramtron . В таблице 26.1. показаны выводы микросхемы.

FM 20L 08 – энергонезависимая память с организацией 128К×8, которая считывается и записывается подобно стандартному статическому ОЗУ. Сохранность данных обеспечивается в течение 10 лет, при этом, нет необходимости задумываться о надежности хранения данных (неограниченная износостойкость), упрощается проектирование системы и исключается ряд недостатков альтернативного решения энергонезависимой памяти на основе статического ОЗУ с резервным батарейным питанием. Быстрота записи и неограниченное количество циклов перезаписи делают FRAM лидером по отношению к другим типам энергонезависимой памяти.

Рис.26.17. Ячейка памяти типа 2Т /2С (а) и 1Т /1С (б)

Рис.26.18. Структурная схема FRAM FM 20L 08