2. Постоянные и полупостоянные запоминающие устройства

Постоянные и полупостоянные ЗУ используются в ЭВМ как долговременная память для хранения констант, программ BIOS, POST, конфигурации ЭВМ и параметров устройств. ПЗУ и ППЗУ (флэш-память) могут строиться по структуре 2D емкостью до нескольких десятков Кб по схеме [1], показанной на рис. 3.1. При подаче двоичного кода физического адреса <ФА (1,n)> на ША и сигнала чтения дешифратором адреса DCA возбуждается одна из адресных (горизонтальных) шин A_i с номером i{1, 2,...,N}, равным адресу ячейки. Шина A_i «подключает» элементы памяти Э_i1, Э_i2, ..., Э_iR к информационным (вертикальным) шинам массива {Э_i,j}. Если j‑й элемент памяти хранит «1», то он возбуждает вертикальную шину D_j и устанавливает в «1» j-й разряд информационного регистра RGИ (j) = 1. Если он хранит «0», то j-й разряд RGИ обнуляется. С появлением сигнала чтения W = 1 содержимое регистра передается на шину данных, т.е. выполняется микрооперация ШД (1,R) = RGИ (1,R).

RGИ

R

R

n

N

n

Э₁₁

Э₁₂

Э_1R1

Э₂₁

Э₂₂

Э_2R

Э_NR

Э_N2

Э_N1

n

W

Рис. 3.1. Схема ЗУ типа 2D

Режим чтения характерен для ПЗУ, элементы памяти которого не изменяют своего состояния в процессе эксплуатации и программируются один раз. Наиболее просто программирование можно осуществить распайкой диодов (рис. 3.2, а). Наличие диода VD₁ между шинами A_i и D_j создает однонаправленную гальваническую связь от A_i к D_j и кодируется как «1» в j‑м разряде i-й ячейки. Отсутствие диода (разрыв связи) программируется как «0». Недостатком способа ручной распайки является значительная трудоемкость «программирования», и поэтому он уже нигде не применяется.

Для автоматизации «прошивки» ПЗУ используются элементы памяти, показанные на рис. 3.2, б, в.

Эти элементы при изготовлении ИС имеются на всех пересечениях адресных и информационных шин. В процессе программирования на адресной шине A_i и информационных шинах D_j последовательно устанавливается такое напряжение, когда пробивается и закорачивается один из стабилитронов (состояние логической «1») или сгорает, образуя разрыв, плавкая перемычка R_n (состояние «0»). Режим программирования путем пережигания плавких перемычек используется в ИС серии К 556 РТ, где, например, К 556 РТ5 имеет емкость 4096 бит с организацией N  R = 512  8 и временем выборки 70 нс.

а б в г

Рис. 3.2. Элементы памяти ПЗУ и ППЗУ: а – диодное ПЗУ, б – ПЗУ на стабилитронах, в – ПЗУ с плавкими перемычками, г – ПЗУ на транзисторах

с изолированным затвором

Отличие ИС ППЗУ от ПЗУ заключается в том, что они позволяют изменять в процессе эксплуатации состояния элементов памяти от нескольких десятков до нескольких тысяч раз, а в новых БИС от 100 тысяч до 1 млн циклов перезаписи. Программирование осуществляется занесением объемного заряда электронов (-) в область плавающего затвора диэлектрика, находящуюся около изолированного затвора ИЗ. Этот процесс можно пояснить с помощью рис. 3.2, г.

При подаче высокого напряжения Е к p-n переходу стока (С) либо истока (И) происходит инжекция электронов в область плавающего затвора. После снятия потенциала Е этот заряд из-за отсутствия проводимости в диэлектрике остается длительное время и притягивает дырки, создавая проводящим слой между И-С. При отсутствии заряда связи между И-С не будет. Если после программирования все стоки транзисторов VT₂ подключить к нулевому потенциалу (), то с возбуждением шины A_i транзисторы VT₁ откроются и передадут состояние (потенциал) истока транзисторов VT₂ (при наличии заряда на D_j будет «0», при отсутствии заряда – «1»).

Для повторного программирования ППЗУ стирание зарядов осуществляется либо электрически (ИС КР 558 РР), подачей высоких напряжений обратной полярности, либо ультрафиолетовым облучением диэлектрика ИС через кварцевую крышку в корпусе (ИС КР 573 РФ). Процесс электрического стирания вызывает значительный ток от утекания заряда из области плавающего затвора под действием повышенного обратного напряжения более 10 В. Чтобы кристалл не разогревался выше допустимой температуры, ток ограничивают уменьшая число одновременно стираемых ячеек. Основной причиной ограничения числа циклов перезаписи и уменьшения времени эксплуатации ППЗУ является аккумулируемый после каждой перезаписи износ плавающего затвора транзистора, который происходит от многократного воздействия повышенного напряжения более 10 В при стирании информации. При этом происходит нарушение оксидного слоя либо накопление электронов в плавающем затворе. Стирание информации выполняют в несколько циклов. При этом переходы И-С всех транзисторов VT₂ становятся непроводящими и все ячейки содержат «1».

Перепрограммирование ИС ведется последовательно отдельно для каждой ячейки. Сначала передается ее адрес, затем передается код записываемых данных в RGИ (1, R). Затем возбуждается шина Е в разрядах, где кодируется «0», и пропускаются информационные разряды, где кодируются «1».

Так как накопление заряда идет медленно, запись осуществляется циклами. Длительность каждого цикла около 0.5 мс, число циклов (около 100) определяется необходимым временем занесения заряда в ИС. Принцип с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации используется в ИС КР 573 РФ2 емкостью 2 Кб (N  R = 2048  8 (бит)) с временем выборки 0.9 мкс, временем хранения заряда 10⁴ час и возможностью до 10 раз перезаписи данных. Функционально ППЗУ (ПЗУ) представляет собой шифратор, который преобразует унитарный код с адресной шины в позиционный, подключаемый к информационной шине. В зависимости от способа объединения элементов памяти, показанных на рис. 3.2, г, шифратор может реализовываться на схемах И – НЕ или ИЛИ – НЕ (D_j = (А₁х_1j VА₂х_2j V...V А_Nx_Nj), j=1, R; где х_ij – содержимое j-го разряда, i‑й ячейки). Схемы ИЛИ – НЕ обеспечивают высокое быстродействие, но имеют меньшую емкость, чем ППЗУ на И – НЕ.