Файл: 1-337.pdf

2 2 6 Глава 5. Память

Основным режимом работы ПЗУ является считывание информации, которое

мало отличается от аналогичной операции в ОЗУ как по организации, так и по

длительности. Именно это обстоятельство подчеркивает общепризнанное назва-

ние постоянных ЗУ — ROM (Read-Only Memory — память только для чтения).

В то же время запись в ПЗУ по сравнению с чтением обычно сложнее и связана

с большими затратами времени и энергии. Занесение информации в ПЗУ называ-
ют программированием или «прошивкой». Последнее название напоминает о том,

что первые ПЗУ выполнялись на базе магнитных сердечников, а данные в них за-

носились путем прошивки соответствующих сердечников проводниками считы-
вания. Современные ПЗУ реализуются в виде полупроводниковых микросхем,
которые по возможностям и способу программирования разделяют на:

• программируемые при изготовлении;
• однократно программируемые после изготовления;
• многократно программируемые.

ПЗУ, программируемые при изготовлении

Эту группу образуют так называемые масочные устройства и именно к ним при-
нято применять аббревиатуру ПЗУ. В литературе более распространено обозначе-
ние различных вариантов постоянных ЗУ сокращениями от английских названий,

поэтому в дальнейшем будем также использовать аналогичную систему. Для ма-
сочных ПЗУ таким обозначением является ROM, совпадающее с общим названием
всех типов ПЗУ. Иногда такие микросхемы именуют MROM (Mask Programmable
ROM — ПЗУ, программируемые с помощью маски).

Занесение информации в масочные ПЗУ составляет часть производственного

процесса и заключается в подключении или не-подключении запоминающего эле-
мента к разрядной линии считывания. В зависимости от этого из ЗЭ будет всегда
извлекаться 1 или 0. В роли перемычки выступает транзистор, расположенный на
пересечении адресной и разрядной линий. Какие именно ЗЭ должны быть под-
ключены к выходной линии, определяет маска, «закрывающая» определенные уча-

стки кристалла. При создании масочных ПЗУ применяются разные технологии.

В первом случае маска просто не допускает металлизации участка, соединяющего

транзистор с разрядной линией считывания. Вторая технология связана с видом
транзистора в узле. Маска определяет, какой полевой транзистор должен быть
имплантирован в данный узел — работающий в обогащенном режиме или в режи-
ме обеднения. В третьем варианте маска задает толщину оксидного слоя затвора
транзистора. В зависимости от этого на кристалле формируется либо стандартный

транзистор, либо транзистор с высоким порогом срабатывания.

В начальный период масочные микросхемы были дороги, однако сейчас это один

из наиболее дешевых видов ПЗУ. Для ROM характерна высокая плотность упа-
ковки ЗЭ на кристалле и высокие скорости считывания информации. Основной
сферой применения являются устройства, требующие хранения фиксированной
информации. Так, подобные ПЗУ часто используют для хранения шрифтов в ла-

зерных принтерах.

Основная память  2 2 7

Однократно программируемые ПЗУ

Создание масок для ROM оправдано при производстве большого числа копий. Если

требуется относительно небольшое количество микросхем с данной информацией,
разумной альтернативой являются однократно программируемые ПЗУ.

Микросхемы PROM.

 В ИМС типа PROM (Programmable ROM —

 программиру-

емые ПЗУ)

 информация может быть записана только однократно. Первыми таки-

ми ПЗУ стали микросхемы памяти на базе плавких предохранителей. В исходной
микросхеме во всех узлах адресные линии соединены с разрядными. Занесение
информации в PROM производится электрически, путем пережигания отдельных
перемычек, и может быть выполнено поставщиком или потребителем спустя ка-

кое-то время после изготовления микросхемы. Подобные ПЗУ выпускались в рам-
ках серий К556 и К1556. Позже появились ИМС, где в перемычку входили два
диода, соединенные навстречу. В процессе программирования удалить перемычку
можно было с помощью электрического пробоя одного из этих диодов. В любом
варианте для записи информации требуется специальное оборудование — програм-
маторы. Основными недостатками данного вида ПЗУ были большой процент бра-
ка и необходимость специальной термической тренировки после программирова-
ния, без которой надежность хранения данных была невысокой.

Микросхемы ОTPEPRОM.

 Еще один вид однократно программируемого ПЗУ —

это ОТР EPROM (One Time Programmable EPROM — EPROM с однократным
программированием). В его основе лежит кристалл EEPRОM (см. ниже), но по-
мещенный в дешевый непрозрачный пластиковый корпус без кварцевого окна,
из-за чего он может быть запрограммирован лишь один раз.

Многократно программируемые ПЗУ

Процедура программирования таких ПЗУ обычно предполагает два этапа: снача-

ла производится стирание содержимого всех или части ячеек, а затем производит-

ся запись новой информации.

В этом классе постоянных запоминающих устройств выделяют несколько групп:

• EPROM (Erasable Programmable ROM — стираемые программируемые ПЗУ);
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM — электрически стираемые

программируемые ПЗУ);

• флэш-память.

Микросхемы EPROM.

 В EPROM запись информации производится электри-

ческими сигналами, так же как в PROM, однако перед операцией записи содержи-
мое всех ячеек должно быть приведено к одинаковому состоянию (стерто) путем
воздействия на микросхему ультрафиолетовым облучением

1

. Кристалл заключен

в керамический корпус, имеющий небольшое кварцевое окно, через которое и про-
изводится облучение. Чтобы предотвратить случайное стирание информации, пос-

ле облучения кварцевое окно заклеивают непрозрачной пленкой. Процесс стира-

ния может выполняться многократно. Каждое стирание занимает порядка 20 мин.

 Данный вид микросхем иногда обозначают как UV-EPROM (Ultra-Violet EPROM — EPROM, сти-

раемые ультрафиолетовым облучением).

2 2 8 Глава 5. Память

Данные хранятся в виде зарядов плавающих затворов МОП-транзисторов, играю-
щих роль конденсаторов с очень малой утечкой заряда. Заряженный ЗЭ соответ-
ствует логическому нулю, а разряженный — логической единице. Программиро-
вание микросхемы происходит с использованием технологии инжекции горячих
электронов. Цикл программирования занимает нескольких сотен миллисекунд.

Время считывания близко к показателям ROM и DRAM.

По сравнению с PROM микросхемы EPROM дороже, но возможность много-

кратного перепрограммирования часто является определяющей. Данный вид ИМС
выпускался в рамках серии К573 (зарубежный аналог — серия 27ххх).

Микросхемы EEPRОM.

 Более привлекательным вариантом многократно про-

граммируемой памяти является электрически стираемая программируемая посто-

янная память EEPROM. Стирание и запись информации в эту память производятся
побайтово, причем стирание — не отдельный процесс, а лишь этап, происходящий

автоматически при записи. Операция записи занимает существенно больше вре-
мени, чем считывание — несколько сотен микросекунд на байт. В микросхеме ис-
пользуется тот же принцип хранения информации, что и в EPRОM. Программи-

рование EPRОM не требует специального программатора и реализуется средствами
самой микросхемы.

Выпускаются два варианта микросхем: с последовательным и параллельным

доступом, причем на долю первых приходится 90% всех выпускаемых ИМС этого
типа. В EEPROM с доступом по последовательному каналу (SEEPROM — Serial

EEPROM) адреса, данные и управляющие команды передаются по одному проводу
и синхронизируются импульсами на тактовом входе. Преимуществом SEEPROM

являются малые габариты и минимальное число линий ввода/вывода, а недостат-
ком — большое время доступа. SEEPROM выпускаются в рамках серий микро-
схем 24Сххх, 25Сххх и 93Сххх, а параллельные EEPROM — в серии 28Сххх.

В целом EEPROM дороже, чем EPROM, а микросхемы имеют менее плотную

упаковку ячеек, то есть меньшую емкость.

Флэш-память.

 Относительно новый вид полупроводниковой памяти — это

флэш-память (название flash можно перевести как «вспышка молнии», что под-
черкивает относительно высокую скорость перепрограммирования). Впервые анон-
сированная в середине 80-х годов, флэш-память во многом похожа на EEPROM,
но использует особую технологию построения запоминающих элементов. Анало-
гично EEPROM, во флэш-памяти стирание информации производится электри-

ческими сигналами, но не побайтово, а по блокам или полностью. Здесь следу-
ет отметить, что существуют микросхемы флэш-памяти с разбивкой на очень
мелкие блоки (страницы) и автоматическим постраничным стиранием, что
сближает их по возможностям с EEPROM. Как и в случае с EEPROM, микро-
схемы флэш-памяти выпускаются в вариантах с последовательным и парал-
лельным доступом.

По организации массива ЗЭ различают микросхемы типа:

• Bulk Erase (тотальная очистка) — стирание допустимо только для всего масси-

ва ЗЭ;

• Boot Lock — массив разделен на несколько блоков разного размера, содержи-

мое которых может очищаться независимо. У одного из блоков есть аппарат-
ные средства для защиты от стирания;

Основная память  2 2 9

• Flash File — массив разделен на несколько равноправных блоков одинакового

размера, содержимое которых может стираться независимо.

Полностью содержимое флэш-памяти может быть очищено за одну или несколь-

ко секунд, что значительно быстрее, чем у EEPROM. Программирование (за-
пись) байта занимает время порядка 10 мкс, а время доступа при чтении со-

ставляет 35-200 нс.

Как и в EEPROM, используется только один транзистор на бит, благодаря чему

достигается высокая плотность размещения информации на кристалле (на 30%
выше чем у

 DRAM).

Наиболее распространенные серии микросхем флэш-памяти — 28Fxxx, 29F/C/

ЕЕххх, 39SFxxx (параллельные) и 45Dxxx (последовательные).

Энергонезависимые оперативные

запоминающие устройства

Под понятие

 энергонезависимое ОЗУ

 (NVRAM — Non-Volatile RAM) подпадает

несколько типов памяти. От перепрограммируемых постоянных ЗУ их отличает
отсутствие этапа стирания, предваряющего запись новой информации, поэтому
вместо термина «программирование» для них употребляют стандартный термин
«запись».

Микросхемы BBSRAM.

 К рассматриваемой группе относятся обычные стати-

ческие ОЗУ со встроенным литиевым аккумулятором и усиленной защитой от
искажения информации в момент включения и отключения внешнего питания.
Для их обозначения применяют аббревиатуру BBSRAM (Battery-Back SRAM).

Микросхемы NVRAM.

 Другой подход реализован в микросхеме, разработанной

компанией Simtec. Особенность ее в том, что в одном корпусе объединены стати-
ческое ОЗУ и перепрограммируемая постоянная память типа EEPROM. При вклю-
чении питания данные копируются из EEPROM в SRAM, а при выключении —

автоматически перезаписываются из SRAM в EEPROM. Благодаря такому при-
ему данный вид памяти можно считать энергонезависимым.

Микросхемы FRAM.

 FRAM (Ferroelectric RAM — ферроэлектрическая память)

разработана компанией Ramtron и представляет собой еще один вариант энерго-
независимой памяти. По быстродействию данное ЗУ несколько уступает динами-
ческим ОЗУ и пока рассматривается лишь как альтернатива флэш-памяти. При-

числение

 FRAM

 к оперативным ЗУ обусловлено отсутствием перед записью явно

выраженного цикла стирания информации.

Запоминающий элемент FRAM похож на ЗЭ динамического ОЗУ, то есть со-

стоит из конденсатора и транзистора. Отличие заключено в диэлектрических свой-
ствах материала между обкладками конденсатора. В FRAM этот материал (несмот-
ря на название, он не содержит железа и имеет химическую формулу ВаТiO

3

)

обладает большой диэлектрической постоянной и может быть поляризован с по-
мощью электрического поля. Поляризация сохраняется вплоть до ее изменения
противоположно направленным электрическим полем, что и обеспечивает энер-
гонезависимость данного вида памяти. Данные считываются за счет воздействия
на конденсатор электрического поля. Величина возникающего при этом тока за-
висит от того, изменяет ли приложенное поле направление поляризации на проти-

2 3 0 Глава 5. Память

воположное или нет, что может быть зафиксировано усилителями считывания.

В процессе считывания содержимое ЗЭ разрушается и должно быть восстановле-

но путем повторной записи, то есть как и DRAM, данный тип ЗУ требует регене-
рации. Количество циклов перезаписи для FRAM обычно составляет 10 млрд.

Главное достоинство данной технологии в значительно более высокой скорос-

ти записи по сравнению с EEPRОM. В то же время относительная простота ЗЭ
позволяет добиться высокой плотности размещения элементов на кристалле, со-
поставимой с DRAM. FRAM выпускаются в виде микросхем, полностью совмес-
тимых с последовательными и параллельными EEPROM. Примером может слу-
жить серия 24Схх.

Специальные типы оперативной памяти

В ряде практических задач более выгодным оказывается использование специа-

лизированных архитектур ОЗУ, где стандартные функции (запись, хранение,
считывание) сочетаются с некоторыми дополнительными возможностями или учи-
тывают особенности применения памяти. Такие виды ОЗУ называют специали-
зированными и к ним причисляют:

• память для видеоадаптеров;
• память с множественным доступом (многопортовые ОЗУ);
• память типа очереди (ОЗУ типа FIFO).

Два последних типа относятся к статическим ОЗУ.

Оперативные запоминающие устройства

для видеоадаптеров

Использование памяти в видеоадаптерах имеет свою специфику и для реализации

дополнительных требований прибегают к несколько иным типам микросхем. Так,

при создании динамичных изображений часто достаточно просто изменить распо-

ложение уже хранящейся в видеопамяти информации. Вместо того чтобы много-

кратно пересылать по шине одни и те же данные, лишь несколько изменив их рас-
положение, выгоднее заставить микросхему памяти переместить уже хранящиеся
в ней данные из одной области ядра в другую. На ИМС памяти можно также воз-

ложить операции по изменению цвета точек изображения.

Кратко рассмотрим некоторые из типов ОЗУ, ориентированных на примене-

ние в качестве видеопамяти.

Микросхемы CGRAM.

 Аббревиатура SGRAM (Synchronous Graphic DRAM —

синхронное графическое динамическое ОЗУ) обозначает специализированный вид
синхронной памяти с повышенной внзггренней скоростью передачи данных. SGRAM
может самостоятельно выполнять некоторые операции над видеоданными, в част-
ности блочную запись. Предусмотрены два режима такой записи. В первом — ре-

жиме блочной записи (Block Write) — можно изменять цвет сразу восьми элементов
изображения (пикселов). Назначение второго режима — блочной записи с маски-
рованием определенных битов (Masked Write или Write-per-Bit) — предотвратить
изменение цвета для отдельных пикселов пересылаемого блока. Имеется также
модификация данной микросхемы, известная как DDR SGRAM, отличие которой