Общие сведения, основные параметры и классификация постоянных запоминающих устройств

 

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения программ, таблиц, тестов и другой информации, которая не изменяется в процессе работы устройства. Необходимая информация записывается в ПЗУ заблаговременно до ее использования. ПЗУ широко используются для построения управляющих программ или микропрограммных памятей и различных комбинационных схем ЭВМ и систем автоматизации: преобразователей кодов, дешифраторов, генераторов последовательностей сигналов, мультиплексоров, сдвиговых регистров и др. Микропрограммные устройства управления, построенные на основе ПЗУ, отличаются высокой гибкостью, низкой стоимостью и позволяют легко изменять набор команд ЭВМ путем замены ПЗУ. Возможность простого изменения хранимой информации делает ПЗУ незаменимыми в решении проблемы сокращения сроков и стоимости проектирования и эксплуатации, особенно в микропроцессорных системах.

К основным параметрам ПЗУ относятся информационная емкость, быстродействие и потребляемая мощность.

К эксплуатационным параметрам ПЗУ относятся их стоимость, надежность работы, сохранение работоспособности в широком диапазоне температур, в условиях повышенных механических воздействий и др.

По способу записи информации БИС ПЗУ делятся на три группы:

1.Обычные, или масочные ПЗУ (МПЗУ), запись информации в которых осуществляется изготовителем однократно с помощью маски (шаблона) на одном из этапов изготовления кристалла. Из всех методов записи информации в ПЗУ этот метод обладает самой большой надежностью, самой высокой плотностью компоновки, наибольшей простотой изготовления и самой низкой стоимостью при массовом производстве.

2.Программируемые ПЗУ (ППЗУ), заполняемые однородной информацией при изготовлении, которая изменяется однократно после программирования пользователем электрическим способом с помощью стенда-программатора.

З.Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ), в которых записанная электрическим способом информация может быть стерта и вместо нее записана новая. Стирание записанной в РПЗУ информации может быть осуществлено либо электрическим способом, либо ультрафиолетовым облучением.

По способу считывания информации БИС ПЗУ делятся на синхронные (тактируемые) и асинхронные.

По технологическому исполнению БИС ПЗУ делятся на две основные группы: биполярные схемы, использующие схемотехнику ТТЛ или ЭСЛ, и МДП-схемы, использующие р-МДП, n-МДП и КМДП-структуры.

По уровням входных и выходных сигналов БИС ПЗУ совместимы с полупроводниковыми схемами, изготовленными по схемотехнике ЭСЛ, ТТЛ или КМДП-типа, причем возможны построения кристаллов как полностью по одной схемотехнике, так и комбинации ЭСЛ с ТТЛ или КМДП с ТТЛ.

Независимо от способа записи и технологии изготовления все ПЗУ являются устройствами с произвольной выборкой информации, отличающейся наибольшей простотой организации и управления.

 

 

 

Рис.16.8

Структурная схема типового полупроводникового ПЗУ показана на рис.16.8,а. Его основу составляет двухкоординатная матрица элементов памяти или запоминающая матрица (ЗпМ) с полным дешифратором.

Элементы памяти (ЭП) располагаются в местах пересечения горизонталь­ных адресных шин (АШ), соединенных с выходами дешифратора (DC), и вертикальных (разрядных) шин, которые подключаются к информационным входам мультиплексоров. На входы DC подаются младшие разряды адреса A_o...A_k-1, а на адресные входы мультиплексоров - старшие разряды адреса

A_k...A_n-1. При этом возбуждается одна из адресных шин, и все ЭП, связанные с этой шиной, выдают хранящуюся в них информацию на все разрядные шины. Хранимая в ЭП информация 0 или 1 зависит от того, соединен ли этот ЭП с разрядной шиной (РШ) или не соединен. Нарушение соединения осуществляет­ся разрушением плавкой перемычки, соединяющей его с РШ (на рис.16.8,а эти перемычки показаны волнистыми линиями) путем пропускания через нее импульса тока достаточной силы. Выборка нужного числа бит для подачи на выход ПЗУ осуществляется мультиплексорами. В зависимости от организации ПЗУ дешифратор и мультиплексор могут иметь различную разрядность. Например, ПЗУ с информационной емкостью N=1024 бит может иметь организацию 256x4, что означает использование внутри микросхемы дешифратора 1-256 для возбуждения адресных шин и четырех мультиплексоров 4-1 для считывания выходных данных с разрядных шин.

Микросхемы ПЗУ обычно имеют вход разрешения CS (chip select), на который подается сигнал обращения к ПЗУ.

На схемах (рис.16.8,б) ПЗУ обозначается ROM (от read only memory -память, предназначенная только для чтения).Запись информации в БИС ПЗУ осуществляется с изменением физических свойств кристалла, благодаря чему она сохраняется и после отключения источника питания. Устройства, обладающие этим свойством, называют энергонезависимыми.

Масочные ПЗУ

Масочные ПЗУ строятся на основе диодов, биполярных и МДП-транзисторов.

+Еп

 

Рис.16.9

 

В диодных ПЗУ диоды включаются в те пересечения ЗпМ, которые соответствуют записи 1, а в местах, где должен быть записан 0, они отсутствуют. Исключение диодов из соответствующих пересечений ЗпМ достигается тем, что на последнем этапе изготовления проводящая металлическая пленка, соединяющая катод диода с разрядной шиной, не изготавливается. Вид диодной ЗпМ показан на рис.16.9,а. Так как диодная матрица представляет собой элемент с гальваническими связями, то выходные

сигналы имеют ту же форму и полярность, что и входные. Таким образом, если на ее входы (адресные шины) подаются напряжения постоянных уровней, то и на выходах (разрядных шинах) уровни будут также постоянными, что исключает необходимость применения дополнительных выходных регистров.

На рис.16.9,б показана ЗпМ, выполненная на биполярных многоэмиттерных транзисторах (МЭТ). При возбуждении одной из адресных шин на базе связанного с ней МЭТ возникает напряжение высокого уровня, в то время как на базах всех остальных транзисторов напряжение равно нулю. Информация логического 0 или логической 1 в любой разрядной шине зависит от того, есть ли связь разрядной шины с соответствующим эмиттером выбранного МЭТ или нет. Коллекторный ток выбранного МЭТ проходит только в те разрядные шины, которые связаны с эмиттерами этого транзистора, создавая положительные напряжения на этих разрядных шинах, в то время как на разрядных шинах, не связанных с его эмиттерами, напряжение равно нулю.

Программируемые ПЗУ

Структура БИС ППЗУ подобна структуре БИС МПЗУ и отличается только видом ЭП. Элементами памяти ППЗУ являются диоды или многоэмиттерные транзисторы (МЭТ).

Программирование ППЗУ осуществляется пережиганием перемычек (рис.16.11,а,г), либо электрическим пробоем р-n перехода (рис.16.11,6) или диодов Шотки (рис.16.11,в). В качестве плавких перемычек применяются тонкие пленки из нихрома или поликристаллического кремния.

Ток пережигания составляет 50... 100 мА. При этом плотность тока в перемычке достигает 10⁷ А/см², что приводит к ее разрушению. Электрический пробой р-n перехода или диода Шотки осуществляется приложением к паре встречновключенных диодов повышенного напряжения (импульсного), являющегося для одного из них обратным.

 

 

Процесс программирования осуществляется с помощью специального устройства - программатора, и заключается в подаче электрических сигналов на соответствующие внешние выводы ППЗУ.

Требуемые токи программирования обеспечиваются повышением приложенного к микросхеме ППЗУ напряжения до 12...20 В. Для рассеивания выделяемой при программировании мощности приходится увеличивать размеры ЭП, что приводит к снижению быстродействия из-за увеличения паразитных емкостей и уменьшению коэффициента интеграции. Коэффициент интеграции снижается также вследствие создания на кристалле БИС ППЗУ электронных схем формирования токов программирования, которые используются только один раз при программировании и в дальнейшей эксплуатации не требуются. На рис.16.12 показаны УГО электрически программируемого (прожигаемого) ПЗУ К155РЕЗ емкостью 256 бит с организацией 32x8, фрагмент (часть) схемы и временные диаграммы режима программирования.

В выпускаемых заводом микросхемах все перемычки целые. При включении питания Uпl = 5 В (Un2 = 0 В) при заданном адресе А4... А0 и CS = 0 возбуждается один из выходов дешифратора, например первый, и кол­лекторный ток МЭТ через нижний эмиттер и резистор R2 втекает в базу транзистора VT2, вводя его в режим насыщения. На открытом коллекторном выходе VT2 образуется напряжение низкого уровня. Следовательно, неразрушенные перемычки соответствуют записи логического 0 во всех ЭП.

Режим программирования (запись в нужные ЭП логической 1) осуществляется следующим образом. На адресных входах микросхемы устанавливается требуемый адрес, после чего на шину Unl подается повышенное напряжение Uпl = 12,5 В (момент времени t₁ на рис.16.12,в).

Затем на внешний резистор R=390 Ом подается напряжение Uп2 = 12,5 В (момент времени t₂). При этом пробивается стабилитрон VD, открывается и входит в режим насыщения транзистор VT1. После этого на вход выбора кристалла подается сигнал C¯S = 0, вызывающий срабатывание дешифратора и появление напряжения высокого уровня на одном из его выходов, которое поступает на базу выбранного МЭТ (например МЭТ₁). От источника Unl через МЭТ и насыщенный транзистор VT1 протекает большой ток, пережигающий перемычку. Выход из режима программирования осуществляется в обратной последовательности. В одном цикле допускается программирование только одного разряда.

Репрограммируемые ПЗУ

Структура БИС РПЗУ аналогична структуре МПЗУ, но в качестве ЭП используется МДП-структура, механизмом запоминания и хранения информации в которой является процесс накопления заряда. В зависимости от структуры МДП-транзистора различают два основных вида РПЗУ: РПЗУ, стираемые ультрафиолетовым облучением (РПЗУ УФ, EPROM), и электрически – стираемые РПЗУ (РПЗУ ЭС, EEPROM). Запись информации в обоих типах осуществляется электрическим способом.