21. Адресная память. Принципы построения программируемых пзу.
ROM. Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация, как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики и BIOS в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации можно построить на мультиплексорах (рис. 1).
В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля).
Чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ, эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация, естественно, остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рис. 2.
В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы — металлизации. Металлизация выполняется при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше, — это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в многомерную и тем самым существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Программирование ПЗУ производится на заводе – изготовителе.
PROM. Также разработаны программируемые ПЗУ. В этих микросхемах постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подается повышенное питание. При этом если на выход микросхемы подается напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку будет протекать ток, который испарит эту перемычку, и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль. Программирование производится при помощи специального программатора.
Возможно также применение другой технологии создания PROM, когда перемычка образована трехслойным диэлектриком с чередованием слоев «оксид-нитрид-оксид». Программирующий импульс напряжения пробивает перемычку и создает проводящий канал между электродами. Величина тока, создаваемого импульсами программирования, влияет на диаметр проводящего канала, что позволяет управлять параметрами проводящей перемычки.
ПЗУ программируемые однократно пользователем (ППЗУ)
Микросхемы программируемых ПЗУ по принципу построения и функционированию аналогичны маскированным ПЗУ, но имеют существенное отличие в том, что допускают программирование на месте своего применения пользователем.
Матрица перед программированием, т.е. в исходном состоянии, содержит однородный массив перемычек, которые соединяют строки и столбцы во всех точках их пересечений.
Однократно программируемые пользователем микросхемы ПЗУ с пережигаемыми перемычками представлено на рисунке 8.25. Представленный фрагмент запоминающего устройства, имеет n слов по 4 двоичных разряда каждое.
Перемычки устанавливают из нихрома (у микросхем серии К556 и др.), из поликристаллического кремния (К541), из силицида платины (К1608) и других материалов. Перемычка в матрице выполняет роль элемента памяти. Наличие перемычки кодируют логической «1», как на рисунке 8.25. если усилитель считывания является повторителем, и логическим «0», если усилитель считывания – инвертор.
Программирование микросхемы, матрица которой в исходном состоянии заполнена «0», состоит в пережигании перемычек в тех элементах памяти, где должны сохраняться «1». Если матрица в исходном состоянии заполнена «1», то пережигают перемычки в элементах памяти, где должны сохраняться «0».
Работа запрограммированной микросхемы ППЗУ в режиме считывания ничем не отличается от вариантов работы микросхемы масочного ПЗУ, рассмотренных раньше. Слово выбирается адресным дешифратором. В ПЗУ записаны следующие четырехразрядные слова: в строке X(n-3) – 1010, в строке X(n-2) –1000, и в строке X(n-1) –1111.
У некоторых микросхем, в частности, КР556РТ5, КР556РТ17, имеется вывод для напряжения программирования Uр. В режиме считывания этот вывод не используется.
Для записи слова 1000 в строке X(n-2) необходимо поочередно на короткое время (десятые доли секунды) закоротить резисторы R2, R1, R0.
В качестве примера ПЗУ с пережигаемыми перемычками рассмотрим микросхему К155РЕ3, условное обозначение которой приведено на рисунке 8.26.
Упрощенная функциональная схема микросхемы К155РЕ3 приведена на рисунке 8.27.
Логические элементы DD1.0-DD1.7 имеют выход с открытым коллектором. С выхода элемента DD1.0 на его вход подключается цепочка резистор R1.2, стабилитрон VD1, резистор R1.1, транзистор VT1, необходимая при программировании микросхемы. Для остальных логических элементов DD1.1 — DD1.7 эти цепочки на функциональной схеме не показаны. При программировании на выход микросхемы через ограничительный резистор сопротивлением 390 Ом подается напряжение 10-15 В, в результате чего пробивается стабилитрон VD1 и открывается транзистор VT1. Открывшийся транзистор закорачивает резистор R0 и перемычка в эмиттерной цепи транзистора необходимой ячейки памяти перегорает (для пережигания перемычки на время программирования увеличивают питающее напряжение).
Извесны случаи, когда выжженая перемычка с течением времени восстанавливается, и информация, записанная в ПЗУ, искажается. Чтобы избежатьэтого, после програмирования проводят термотренировку микросхем К155РЕ3.
В любительских условиях это достигается выдерживанием микросхемы при температуре 100°С в течение суток.
На рисунке 8.28 приведена схема программатора для микросхем К155РЕ3.
Переключателями SA0-SA4 задается адрес требуемой ячейки памяти размером 8 бит. Логические элементы DD1.1, DD1.2, резистор R4, конденсатор C1 образуют одновибратор, формирующий импульс записи. Длительность импульса определяется сопротивлением резистора R4 и емкостью конденсатора C1. Кнопка SA5 находится в положении, соответствующем выбранной микросхеме. В этом случае светодиод HL1 отображает записанную в разряде D1 информацию. При нажатии на кнопку SA5 выходы программируемой микросхемы оказываются закрытыми, транзистор VT4 на короткое время закрывается, а транзисторы VT1-VT3 – открываются. На вывод 16 программируемой микросхемы подается повышенное напряжение. Кроме этого повышенное напряжение подается на один из выходов микросхемы, который подключается с помощью перемычки П1.
Микросхемы ППЗУ, которые выпускаются отечественной промышленностью, преимущественно изготовленные по ТТЛШ-технологии, и среди них преобладающее положение занимает серия К556. Функциональный состав серии включает микросхемы емкостью до 64 Кбит словарной 4 и 8-разрядной организацией, с длительностью времени выборки 45. 85 нс и уровнем потребляемой мощности от 0,6 до 1 Вт.
Разновидностью ППЗУ являются программируемые выжиганием плавких перемычек логические матрицы (ПЛМ) (см. тему 9).
С ППЗУ поставляются опытные образцы микропроцессорных систем, которые после выявления ошибок и переходе к массовому выпуску заменяются на более дешёвые ПЗУ.
ППЗУ получило широкое применение в качестве преобразователей кодов, управляющих работой индикаторов, отображающих на экране буквы и цифры. ПЗУ в данном случае переводит код (номер) буквы или цифры в ее изображение.
Простейший пример данного применения ПЗУ — это управление знаковым семисегментным индикатором, знакомым всем по калькуляторам, кассовым аппаратам, электронным часам, весам и т.д.
В семисегментных индикаторах изображение всех цифр от 0 до 9 строится всего из семи сегментов (рисунок 8.29).
Чтобы отобразить в виде цифры 4-разрядный двоичный код, надо этот код преобразовать в 7-разрядный код, каждому разряду которого будет соответствовать один сегмент индикатора. Например, коду 0000 должно соответствовать изображение нуля (6 сегментов, расположенных по периметру), а коду 0001 — изображение единицы (два правых вертикальных сегмента). Для повышения универсальности индикатора удобно дополнить десять цифр еще и шестью буквами, использующимися в 16-ричном коде (A, B, C, D, E, F).
ПЗУ типа РЕ3, используемое в качестве дешифратора индикатора, имеет 4 входа и 7 выходов (старший разряд адреса и старший разряд данных не используются). Карта прошивки ПЗУ приведена в таблице 8.3. Нулевой сигнал на каждом из выходов данных ПЗУ зажигает соответствующий ему сегмент.
Таблица 8.3 Карта прошивки ПЗУ для дешифратора знакового индикатора
| Адрес | A | B | C | D | E | F | |||||||||
| 0E | |||||||||||||||
| XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX | XX |
ПЗУ позволяют также формировать и более сложные изображения букв и цифр — матричные. Такие изображения используются, например, в табло типа «бегущая строка», на экранах мониторов, в больших рекламных табло. Каждая буква, цифра, другой знак располагается в данном случае на прямоугольной матрице, называемой знакоместом и состоящей из нескольких строк и нескольких столбцов точечных элементов изображения, которые могут зажигаться независимо друг от друга. Чем больше строк и столбцов в знакоместе, тем более качественное изображение букв и цифр можно получить. Минимально возможный размер знакоместа — 5 столбцов на 7 строк, то есть всего 35 элементов изображения.
ПЗУ в данном случае содержит в себе информацию об изображениях всех возможных букв и цифр (обычно этот набор включает в себя 256 символов). Но выходной код ПЗУ имеет мало разрядов, поэтому каждый такой код, соответствующий одному адресу, представляет собой информацию об изображении не целого символа, а только одной его строки (или столбца). Информация о целом символе занимает в ПЗУ столько ячеек, сколько в изображении символа имеется столбцов (или строк). Пример матричного знакогенератора на ПЗУ приведен на рисунке 8.30.
В данном случае используется знакоместная матрица из 8 строк и 8 столбцов. В каждую ячейку ПЗУ записывается код изображения одной из 8 строк одного из 256 символов. Изображение одного символа занимает 8 последовательно расположенных ячеек в ПЗУ. Для букв и цифр правый столбец знакоместа не используется, он служит для отделения знаков друг от друга. Он может использоваться для специальных символов (например, для графических). В случае матричного светодиодного индикатора перебор строк может осуществляться 3-разрядным счетчиком с дешифратором 3–8 на его выходе. В случае телевизионного монитора перебор строк осуществляется с помощью генератора вертикальной развертки изображения.
Составление карты прошивки такого ПЗУ обычно производится с помощью специальных программ на компьютере. Например, если активному (зажженному) элементу изображения соответствует единичный сигнал, то для нулевой строки символа «М», показанного на рисунке 8.30, в ПЗУ надо записать 10000010, для первой строки — код 11000110, для второй — код 10101010, для третьей — 10010010 и т.д.
Микросхемы РПЗУ
Основная отличительная особенность микросхем РПЗУ состоит в их способности к многоразовому (от 100 до 10 тыс.) перепрограммированию самим пользователем. Это свойство микросхем, обеспечивается применением элементов памяти со свойствами управляемых «перемычек», функции которых выполняют транзисторы со структурой МНОП (металл Аl — нитрид кремния Si3N4 — окисел кремния Si2 — полупроводник Si) и транзисторы n – МОП с плавающим затвором (ПЗ) с использованием механизма лавинной инжекции наряда ЛИЗМОП (добавление ЛИЗ к обозначению МОП происходит от «Лавинная Инжекция Заряда»).
Всю номенклатуру микросхем РПЗУ можно разделить на две группы:
· РПЗУ с записью и стиранием электрическими сигналами (группа ЭС) и РПЗУ с записью электрическими сигналами (EEROM);
· РПЗУ со стиранием ультрафиолетовым излучением группа УФ EPROM).