Назначение памяти пзу. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Из чего состоит постоянное запоминающее устройство

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации, например, таблиц, программ, каких-либо констант. Информация в ПЗУ хранится при отключенном источнике питания, т. е. ПЗУ являются энергонезависимыми микросхемами памяти и работают только в режиме многократного считывания информации.

По способу занесения информации в ПЗУ (программирования) их делят на 3 группы:

§ Однократно программируемые изготовителем, называемые масочными (заказными) или сокращенно ПЗУМ, а по буржуйски ROM.

§ Однократно программируемые пользователем (обычно способом пережигания плавких перемычек на кристалле) или ППЗУ, а по буржуйски PROM.

§ Многократно программируемые пользователем (репрограммируемые) или РПЗУ. По-буржуйски EPROM.

В однократно программируемых ПЗУ вместо элемента памяти, как в ОЗУ, ставится перемычка между шинами в виде пленочных проводников, диодов, транзисторов. Наличие перемычки соответствует лог. 1, ее отсутствие - лог. 0 или наоборот. Процесс программирования таких ПЗУ заключается в пережигании ненужных перемычек и поэтому в дальнейшем ПЗУ такого рода программировать нельзя.

Репрограммируемое ПЗУ

Репрограммируемые ПЗУ разделяются на два класса:

§ С режимом записи и стирания электрическим сигналом.

§ С режимом записи электрическим сигналом и стиранием ультрафиолетовым излучением.

Микросхемы РПЗУ допускают возможность многократного программирования (от сотен до тысяч циклов), способны сохранять информацию при отсутствии питания несколько тысяч часов, требуют значительного времени на перепрограммирование (что исключает возможность использовать в качестве ОЗУ), имеют сравнительно большое время считывания.

Элементом памяти в РПЗУ является полевой транзистор со структурой МНОП или МОП с плавающим затвором или ЛИЗМОП - МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда. Эти транзисторы под воздействием программирующего напряжения способны записать электрический заряд под затвором и сохранять его много тысяч часов без напряжения питания. Для того, чтобы перепрограммировать такое ПЗУ необходимо сначала стереть записанную ранее информацию. В РПЗУ на МНОП транзисторах стирание производится электрическим сигналом, который вытесняет накопленный под затвором заряд. В РПЗУ на ЛИЗМОП транзисторах стирание записанной информации происходит под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, которое облучает кристалл через специальное окно в корпусе микросхемы.

РПЗУ со стиранием УФ излучением имеют ряд недостатков, по сравнению с РПЗУ со стиранием электрическим сигналом. Так, например, для стирания информации УФ необходимо вынимать микросхему из контактных устройств (панелек), что не совсем удобно. К тому же, наличие окна в корпусе обуславливает чувствительность микросхемы РПЗУ к свету, что увеличивает вероятность случайного стирания информации. Да и число циклов перепрограммирования всего лишь нескольких десятков, когда у РПЗУ со стиранием электрическим сигналом это же число достигает 10000.

Элементы памяти ПЗУ (РПЗУ).

Основное требование к такой ячейке – сохранение информации при отключенном питании. Рассмотрим схему однотранзисторной ЗЯ для биполярного ПЗУ.

В эмиттерной цепи транзистора предусмотрена плавкая перемычка (П), которая в необходимых случаях может разрушаться при первоначальном программировании.

При обращении к ЗЯ по адресной линии в случае неразрушенной перемычки в РЛ будет протекать эмитерный ток транзистора. В случае разрушенной перемычки ток протекать не будет.

Элемент памяти ПЗУ может быть выполнен и на МОП-транзисторах. Однако биполярные ПЗУ имеют более высокое быстродействие (время обращения 20…60 нс), но и большую рассеиваемую мощность, чем ПЗУ на МОП-транзисторах (время обращения 200…600 нс).

Репрограммируемые ПЗУ в настоящее время выполняются двух типов. В РПЗУ первого типа матрица элементов памяти изготавливается аналогично матрице ПЗУ на основе МОП-транзисторов, но у которых между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается тонкий слой нитрида кремния (МНОП-транзисторы). Нитрид кремния способен захватывать и сохранять длительное время (до 10 лет и более) электрический заряд. В исходном состоянии транзистор имеет высокое напряжение открывания (10…15)В, которое понижается до рабочих уровней после зарядки слоя нитрида кремния. Чтобы зарядить слой нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора подается высоковольтный программирующий импульс, по амплитуде в несколько раз превышающий рабочие уровни напряжений (15…20)В. При подаче сигнала на адресную линию, подключенную к затворам транзисторов, происходит открывание только заряженных транзисторов. Таким образом, наличие заряда приводит к тому, что ЭП хранит 0, а его отсутствие – 1.

Для стирания записанной информации, т.е. удаления заряда захваченного слоем нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора необходимо подать импульс напряжения противоположный, чем при записи полярности.

Другие варианты ЭП РПЗУ выполняются на МНОП-транзисторах плавающим (изолированным) затвором. Подача высокого напряжения между истоком и стоком вызывает накопление в плавающем затворе заряда, создающего проводящий канал между стоком и истоком. Стирание информации осуществляется облучением транзисторов через кварцевое окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов и переводит их в непроводящее состояние.

Стирание информации таким способом имеет ряд очевидных недостатков, которые отсутствуют при электрическом стирании. Для этого в транзисторе выполняется второй управляющий затвор. Однако, ввиду большой площади ЭП, микросхемы РПЗУ с электрическим стиранием имеют в 2…4 раза меньшую информационную емкость, чем микросхемы со стиранием ультрафиолетовым светом.

Вопрос

Аналоговая схемотехника

Несмотря на все достижения цифровой вычислительной техники, в ряде случаев оказывается рационально производить математические вычисления с аналоговыми сигналами в аналоговом виде. Особенно если в окончательном виде необходимо получить результат в виде аналогового сигнала. Вычислительное устройство в этом случае получается намного проще цифрового и намного более быстродействующее. В аналоговом виде можно совершать все основные арифметические операции, операции логарифмирования и антилогарифмирования, дифференцирования и интегрирования и решение систем линейных дифференциальных уравнений. До того, как появились цифровые вычислительные устройства, в научных исследованиях широко использовались аналоговые вычислительные машины. Теперь их время кончилось, но при решении конкретных задач электроники все еще можно в ряде случаев с успехом использовать аналоговые методы вычислений. Погрешность вычислений в аналоговом виде обычно не превышает 1% и результат получается за время порядка 1 микросекунды. Хотя точность получается намного хуже, чем при цифровых методах вычислений, но все же может оказаться приемлемой. Зато по быстродействию аналоговые вычислительные устройства могут иметь преимущество перед цифровыми.

Усилительный каскад

Существенное уменьшение дрейфа нуля в усилителе постоянного тока достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис.2.15) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие

Данное свойство моста уменьшают влияние нестабильности источника питания и изменения параметров элементов схемы на процесс усиления входного сигнала.

На рис.2.16 представлена схема, с помощью которой объясняется принцип работы дифференциального усилительного каскада. Схема состоит из двух частей: мостовой и источника стабильного тока, представленные в виде источника тока I э . В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторами R и R (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15), а два других транзисторами Т и Т (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов Т и Т в одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов R и R . Если при повышении температуры в процессе работы этих элементов значения их параметров изменяются одинаково, то условие (2.18) выполняется. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.

Рис. 2.15. Схема четырехплечего Рис.2.16. Схема дифференциального моста усилительного каскада

Вопрос

Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Обозначения на схеме

Выводы для подачи напряжения питания (V S+ и V S-) могут обозначаться по-разному. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же - обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала.

1) Суммирующие и вычитающие устройства на ОУ

2) Измерительные усилители на ОУ

3) Интегратор

4) Дифференциатор

Вопрос

Статические параметры ОУ:

Коэффициент усиления KД . Является основным параметром ОУ на очень низкой частоте. Он определяется отношением выходного напряжения Uвых ОУ без ОС в режиме холостого хода к дифференциальному (разностному). Uвх.д = Uвх1 - Uвх.

Передаточная характеристика ОУ по постоянному току - это зависимость постоянного

выходного напряжения Uвых от постоянного входного дифференциального сигнала Uвх.д.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала K ос. сф = K Д/K с . Можноопределить, если подать на оба входа ОУ одинаковые напряжения, обеспечив при этом нулевое значение

U вх. д. Выходное напряжение также должно остаться равным нулю.

Входное сопротивление . Это сопротивление ОУ по отношению к входному сигналу.

Выходное сопротивление ОУ (R д. вых) . Определяется как для любого дру-

гого усилителя.

Минимальное сопротивление нагрузки (R H min) . Его значение определяется предельным выходным током при номинальном выходном напряжении.

Входное напряжение смещения (U вх. см) . Определяет постоянное напряжение, которое следует присоединить к входу ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Этот параметр учитывает разбаланс и несимметрию входного дифференциального каскада ОУ.

Входной ток смещения (I вх. см) . Равен среднему арифметическому значению двух входных токов ОУ при выходном напряжении, равном нулю, т. е. I вх. см = (I вх1 + I вх2)/2.

Разность входных токов (ΔI вх = I вх1 - I вх2) . Это абсолютное значение разности токов двух входов ОУ при выходном напряжении, равном нулю. Этот параметр, подобно U вх.см, также в значительной степени характеризует величину несимметрии входных каскадов ОУ.

Температурный дрейф напряжения смещения ΔU вх. см/Δt и разности входных токов ΔI вх/Δt . Температурный дрейф соответствует изменению одного из параметров, вызванному изменением температуры окружающей среды на 1 °C.

Коэффициент влияния нестабильности источника напряжения питания K вл. п . Это отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений U п.

Характеристики:

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики . Операцион-

ные усилители, имеющие трехкаскадную структуру для малого сигнала, об-

ладают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами.

Переходная характеристика ОУ . Переходная характеристика ОУ

позволяет в режиме малого сигнала определить линейные искажения им-

пульсного сигнала, в том числе время нарастания выходного сигнала при

воздействии единичного напряжения на входе усилителя.

Скорость нарастания выходного напряжения V U = ΔU вых/Δt .

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид

Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже

Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM, англ.) Служит для хранения программ начальной загрузки компьютера и тестирования его узлов. Используется только для чтения. Она энергонезависима, то есть записанная в ней информация не изменяется после выключения компьютера.

· По виду доступа:

· С параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ. Например, К573РФ5;

· С последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A.

· По способу программирования микросхем (записи в них прошивки):

· Непрограммируемые ПЗУ;

· ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства - программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.

· Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) - такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом.

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различнымиконтроллерами, или компьютером (BIOS или OpenBoot на машинах SPARC).

Назначение и характеристика ОЗУ.

Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM, англ.) Она предназначена для хранения информации, изменяющейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке. Используется как для чтения, так и для записи информации. Энергозависима, то есть вся информация хранится в этой памяти только тогда, когда компьютер включен.

Физически для построения запоминающего устройства типа RАМ используют микросхемы динамической и статической памяти, для которых сохранение бита информации означает сохранение электрического заряда (именно этим объясняется энергозависимость всей оперативной памяти, то есть потеря при выключении компьютера всей информации, хранимой в ней).

Оперативная память компьютера физически выполняется на элементах динамической RАМ, а для согласования работы сравнительно медленных устройств (в нашем случае динамической RАМ) со сравнительно быстрым микропроцессором используют функционально для этого предназначенную кэш-память, построенную из ячеек статической RАМ. Таким образом, в компьютерах присутствуют одновременно оба вида RАМ. Физически внешняя кэш-память также реализуется в виде микросхем на платах, которые вставляются в соответствующие слоты на материнской плате.

Основные элементы ПК.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы - стыки подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – ЗУ, предназначенное для хранения неизменяемой информации (программ, констант, табличных функций). В процессе решения задач ПЗУ допускает только чтение информации. В качестве характерного примера применения ПЗУ можно указать БИС ПЗУ, используемые в РС для хранения BIOS (Basic Input Output System – базовой системы ввода-вывода).

В общем случае накопитель ПЗУ (массив его запоминающих ячеек) емкостью ЕПЗУ слов, длиною в r + 1 разрядов каждое, обычно представляет собой систему из ЕПЗУ горизонтальных (адресных) и r + 1 вертикальных (разрядных) проводников, которые в точках пересечения могут быть соединены элементами связи (рис. 1.46). Элементы связи (ЭС) – это плавкие вставки или p -n -переходы. Наличие элемента связи между j -м горизонтальным и i -м вертикальным проводниками означает, что в i -м разряде ячейки памяти номер j записана единица, отсутствие ЭС означает, что здесь записан нуль. Запись слова в ячейку номер j ПЗУ производится должной расстановкой элементов связи между разрядными проводниками и адресным проводом номер j . Чтение слова из ячейки номер j ПЗУ происходит так.

Рис. 1.46. Накопитель ПЗУ емкостью ЕПЗУ слов, длиною в r + 1 разрядов каждое

Код адреса A = j дешифрируется, и на горизонтальный проводник номер j накопителя подается напряжение от источника питания. Те из разрядных проводников, которые соединены с выбранным адресным проводником элементами связи, оказываются под напряжением U 1 уровня единицы, остальные разрядные проводники остаются под напряжением U 0 уровня нуля. Совокупность сигналов U 0 и U 1 на разрядных проводниках и образует содержимое ЯП номер j , а именно слово по адресу А .

В настоящее время ПЗУ строят из БИС ПЗУ, у которых используются полупроводниковые ЭС. БИС ПЗУ принято делить на три класса:

– масочные (МПЗУ);

– программируемые (ППЗУ);

– репрограммируемые (РПЗУ).

Масочные ПЗУ (ROM – от Read Only Memory) – ПЗУ, информация в которые записывается с фотошаблона в процессе выращивания кристалла. Например, БИС ПЗУ 555РЕ4 емкостью 2 кбайта представляет собою генератор символов по коду КОИ-8. Достоинством масочных ПЗУ является их высокая надежность, а недостатком – низкая технологичность.

Программируемые ПЗУ (PROM – Programmable ROM) – ПЗУ, информация в которые записывается пользователем при помощи специальных устройств – программаторов. Данные БИС изготавливаются с полным набором ЭС во всех точках пересечения адресных и разрядных проводников. Это повышает технологичность таких БИС, а значит, и массовость в производстве и применении. Запись (программирование) информации в ППЗУ производится пользователем по месту их применения. Делается это путем выжигания элементов связи в тех точках, в которых должны быть записаны нули. Укажем, например, на ТТЛШ-БИС ППЗУ 556РТ5 емкостью 0,5 кбайт. Надежность БИС ППЗУ ниже, чем у масочных БИС. Перед программированием их необходимо тестировать на наличие ЭС.

В МПЗУ и ППЗУ невозможно изменять содержимое их ЯП. Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) допускают многократную смену хранимой в них информации. Фактически РПЗУ – это ОЗУ, у которых t ЗП>>t ЧТ. Замена содержимого РПЗУ начинается со стирания хранившейся в нем информации. Выпускаются РПЗУ с электрическим (EЕPROM) и ультрафиолетовым (UVEPROM) стиранием информации. Например, БИС РПЗУ с электрическим стиранием КМ1609РР2А емкостью 8 кбайт может перепрограммироваться не менее 104 раз, хранит информацию не менее 15000 ч (около двух лет) во включенном состоянии и не менее 10 лет – в выключенном. БИС РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием К573РФ4А емкостью 8 кбайт допускает не менее 25 циклов перезаписи, хранит информацию во включенном состоянии не менее 25000 ч, а в выключенном – не менее 100000 ч.

Основное назначение РПЗУ – использование их вместо ПЗУ в системах разработки и отладки программного обеспечения, микропроцессорных системах и других, когда приходится время от времени вносить изменения в программы.

Работу ПЗУ можно рассматривать как однозначное преобразование N -разрядного кода адреса А в n -разрядный код считываемого из него слова, т.е. ПЗУ является преобразователем кода (цифровым автоматом без памяти).

На рис. 1.47 показано ус­ловное изображение ПЗУ на схемах.

Рис. 1.47. Условное изображении ПЗУ

Функциональная схе­ма ПЗУ приведена на рис. 1.48.

Рис. 1.48. Функциональная схема ПЗУ

По принятой в среде специалистов по запоми­нающим устройствам терминологии входной код называется адресом, 2n вертикальных шин – числовыми линейками, m выходов – разрядами храни-мого слова. При поступлении на вход ПЗУ любого двоичного кода всегда выбирается одна из числовых линеек. При этом на выходе тех элементов ИЛИ, связь которых с данной чис­ловой линейкой не разрушена, появляется 1. Это значит, что в данном разряде выбранного слова (или числовой ли­нейки) записана 1. На выходах тех разрядов, связь кото­рых с выбранной числовой линейкой выжжена, останутся нули. Закон программирования может быть и инверсным.

Таким образом, ПЗУ – это функциональный узел с n входами и m выходами, хранящий 2n m -разрядных слов, которые при работе цифрового устройства не изменяются. При подаче на вход ПЗУ адреса на выходе появляется со­ответствующее ему слово. При логическом проектировании постоянное ЗУ рассматривают или как память с фиксиро­ванным набором слов, или как кодовый преобразователь.

На схемах (см. рис. 1.47) ПЗУ обозначается как ROM. Постоян­ные запоминающие устройства обычно имеют вход разре­шения Е. При активном уровне на входе Е ПЗУ выполняет свои функции. При отсутствии разрешения выходы микро­схемы неактивны. Разрешающих входов может быть не­сколько, тогда микросхема отпирается по совпадению сиг­налов на этих входах. В ПЗУ сигнал Е часто называют чте­нием ЧТ (read), выбором микросхемы ВМ, выбором кристалла ВК (chip select – CS).

Микросхемы ПЗУ приспособлены для наращивания. Чтобы увеличить число разрядов хранимых слов, все входы микросхем включают параллельно (рис. 1.49, а ), а с увеличившегося суммарного числа выходов снимается выход­ное слово соответственно увеличенной разрядности.

Для уве­личения числа самих хранимых слов (рис. 1.49, б ) адресные входы микросхем включают параллельно и рассматривают как младшие разряды нового, расширенного адреса. Добав­ленные старшие разряды нового адреса поступают на де­кодер, который по входам Е выбирает одну из микросхем. При малом числе микросхем дешифрацию старших разря­дов можно делать на конъюнкции разрешающих входов са­мих ПЗУ. Выходы одноименных разрядов при увеличении числа хранимых слов должны объединяться с помощью функций ИЛИ. Специальных элементов ИЛИ не требуется, если выходы микросхем ПЗУ выполнены или по схеме от­крытого коллектора для объединения методом монтажного ИЛИ, или по схеме буфера с тремя состояниями, допуска­ющего непосредственное физическое объединение выходов.

Выходы микросхем ПЗУ обычно инверсные, инверсным часто бывает и вход Е. Наращивание ПЗУ может потребовать введения буферных усилителей для увеличе­ния нагрузочной способности некоторых источников сигна­лов, учета вносимых этими усилителями дополнительных задержек, но в общем при сравнительно небольших объемах памяти, что типично для многих ЦУ (например устройств автоматики), наращива­ние ПЗУ обычно не порождает принципиальных проблем.

Рис. 1.49. Увеличение числа разрядов хранимых слов при параллельном включении входов микросхем и увеличении числа хранимых слов при включении параллельно адресных входов микросхем

Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах, DDC и DUC, таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства называются ROM (read only memory – память доступная только для чтения). Схема такого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Схема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), построенная на мультиплексоре.

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). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.

Для того, 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 рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Схема многоразрядного ПЗУ (ROM).

В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация производится 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 двухмерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Рисунок 3.4. Схема масочного постоянного запоминающего устройства (ROM).

Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.5. Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ОЗУ). Чтение микросхемы производится сигналом RD.

Рисунок 3.5. Условно-графическое обозначение масочного ПЗУ (ROM) на принципиальных схемах.

Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах - программаторах. В этих ПЗУ постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве ПЗУ изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти ПЗУ логических единиц. В процессе программирования ПЗУ на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход ПЗУ подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход ПЗУ подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку запоминающей матрицы будет протекать ток, который испарит ее и при последующем считывании информации из этой ячейки ПЗУ будет считываться логический ноль.

Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) или PROM и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке3.6. В качестве примера ППЗУ можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.

Рисунок 3.6. Условно-графическое обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства (PROM) на принципиальных схемах.

Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.

ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:

Рисунок 3.7. Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.

Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния - диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ, заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании ПЗУ, на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе подобной ячейки может храниться десятки лет.

Структурная схема описанного постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственное отличие – вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка. Такой вид ПЗУ называется репрограммируемыми постоянными запоминающими устройствами (РПЗУ) или EPROM. В РПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы ПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла.

При облучении микросхемы РПЗУ, изолирующие свойства оксида кремния теряются, накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника, и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы РПЗУ колеблется в пределах 10 - 30 минут.

Количество циклов записи – стирания микросхем EPROM находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема РПЗУ выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения на оксид кремния. В качестве примера микросхем EPROM можно назвать микросхемы 573 серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В РПЗУ чаще всего хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. РПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8. Условно-графическое обозначение РПЗУ (EPROM) на принципиальных схемах.

Так как корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи - стирания привели к поиску способов стирания информации из РПЗУ электрическим способом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей ячейки в них используются такие же ячейки как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи - стирания для этих микросхем достигает 1000000 раз. Время стирания ячейки памяти в таких ПЗУ уменьшается до 10 мс. Схема управления для электрически стираемых программируемых ПЗУ получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:

1. ЕСППЗУ (EEPROM) - электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство

Электрически стираемые ППЗУ (EEPROM) дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи - стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ - хранение данных, которые не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3, 558РР3 и зарубежные микросхемы EEPROM серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ обозначаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.9.

Рисунок 9. Условно-графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM) на принципиальных схемах.

В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних выводов микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов - SPI порт и I2C порт (микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX.

FLASH - ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.

Рисунок 3.10. Условно-графическое обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах.

При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11. Временные диаграммы сигналов чтения информации из ПЗУ.

На рисунке 3.11 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.

4. Выполните операцию сложения в дополнительном коде, представив приведенные слагаемые в двоичном виде:

1) + 45 2) - 45

- 20 + 20

Решение:

1) х 1 = 45 = 0,101101 пр

х 2 = - 20 = 1,010100 пр = 1,101011 обр = 1,101100 доп

+ 1,101100

Ответ: 0,011001 пр = 25 10

2) х 1 = - 45 =1,101101 пр

х 2 = 20 = 0,010100 пр

+ 0,010100

Ответ: 1,100111 доп = 1,011000 обр = 1,011001 пр = - 25 10

Вопрос № 5.

Выполните следующие задания:

1) запишите логическую функцию в СНДФ;

2) минимизируйте логическую функцию с помощью карт Карно;

Постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) динамического типа

Микросхемы ПЗУ по способу программирования, т. е занесения в них информации, подразделяют на три группы ПЗУ, однократно программируемые изготовителем по способу заказного фотошаблона (маски), масочные ПЗУ (ПЗУМ, ROM), ПЗУ, однократно программируемые пользователем по способу пережигания плавких перемычек на кристалле (ППЗУ, PROM), ПЗУ, многократно программируемые пользователем, репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ, EPROM).

Рисунок 15. Устройство микросхемы масочного ПЗУ на биполярных структурах.

Рисунок 16. Элементы памяти ПЗУ на МДП транзисторах с программируемым пороговым напряжением

Общим свойством всех микросхем ПЗУ являются их многоразрядная (словарная) организация, режим считывания как основной режим работы и энергонезависимость. Вместе с тем у них есть и существенные различия в способе программирования, режимах считывания, в обращении с ними при применении. Поэтому целесообразно рассмотреть каждую группу микросхем ПЗУ отдельно.

Микросхемы ПЗУМ изготавливают по биполярной ТТЛ, ТТЛШ-технологии, n-канальной, p-канальной и КМДП-технологиям. Принцип построения у большинства микросхем группы ПЗУМ одинаков и может быть представлен структурой микросхем К155РЕ21--KI55PE24 (рис. 15) Основными элементами структурной схемы являются: матрица элементов памяти, дешифраторы строк DCX и столбцов DCY, селекторы (ключи выбора столбцов), адресный формирователь, усилители считывания Матрица состоит из массива ЭП, каждый из которых размещен на пересечении строки и столбца. Элемент памяти ПЗУМ представляет собой резистивную или полупроводниковую (диодную, транзисторную) перемычку между строкой и столбцом. Информацию в матрицу заносят в процессе изготовления микросхемы и осуществляют эту операцию в основном двумя разными технологическими способами.

Среди микросхем ПЗУМ разных серий (табл.1) многие имеют стандартные прошивки. Например, в микросхемы ПЗУМ К155РЕ21 -- К.155РЕ24 записаны соответственно коды букв русского РЕ21, латинского РЕ22 алфавитов, арифметических знаков и цифр РЕ23, дополнительных знаков РЕ24. В совокупности эти микросхемы образуют генератор символов на 96 знаков формата 7X5.

Одна из микросхем серии КР555РЕ4 содержит прошивку 160 символов, соответствующих 8-разрядному коду обмена информации КОИ 2--8 с форматом знаков 7X11 Прошивку кодов алфавитно-цифровых символов содержит микросхема КМШ56РЕ2.

Значительный перечень модификаций со стандартными прошивками имеет микросхема К505РЕЗ.

Две совместно применяемые микросхемы К505РЕЗ-002, К.505РЕЗ-003 содержат коды букв русского и латинского алфавитов, цифр, арифметических и дополнительных знаков и используются как генератор 96 символов формата 7X9 с горизонтальной разверткой знаков.

Таблица 1. Микросхемы масочных ПЗУ

Модификации 0059, 0060 имеют то* же назначение, но генерируют знаки формата 5X7 Модификации 0040--0049 содержат прошивки коэффициентов для быстрого преобразования Фурье. Ряд модификаций содержит прошивку функции синуса от 0 до 90° с дискретностью 10" (0051, 0052), от 0 до 45° (0068, 0069) и от 45 до 90° (0070,. 0071) с дискретностью 5". Модификации 0080, 0081 содержат прошивку функции Y = X" при Х = 1 ... 128.

Модификации микросхемы КР568РЕ2 содержат стандартные прошивки символов международного телеграфного кода № 2 форматов 5X7 и 7X9 (0001), символов русского и латинского алфавитов, кодовых таблиц, цифр и арифметических знаков (0003, 0Q11), функции синуса от 0 до 90° (0309), ассемблера (0303--0306), редактора текстов (0301, 0302).

Микросхема КР568РЕ2--0001 имеет прошивку международных телеграфных кодов № 2 и 5, а КР568РЕЗ-0002 -- редактора текстов для ассемблера.

Модификации микросхемы КР1610PE1 -0100--КР1610PE1 -0107 содержат прошивки программного обеспечения микро-ЭВМ «Искра».

Названные микросхемы ПЗУМ со стандартными прошивками следует рассматривать как примеры, число таких микросхем и их модификаций постоянно растет.

Для программирования микросхем ПЗУМ по заказу пользователя в технических условиях предусмотрена форма заказа.

Микросхемы ПЗУМ работают в режимах: хранения (невыборки) и считывания. Для считывания информации необходимо подать код адреса и разрешающие сигналы управления Назначение выводов микросхем ПЗУМ указано на рис. 17

Сигналы управления можно подавать уровнем 1, если вход CS прямой (рис. 17, б), или 0^ если вход инверсный (рис. 17, г)

Многие микросхемы имеют несколько входов управления (рис. 17, а), обычно связанных определенным логическим оператором. В таких микросхемах необходимо подавать на управляющие входы определенную комбинацию сигналов, например 00 (рис. 17, а) или 110 (рис 17, в), чтобы сформировать условие разрешения считывания

Основным динамическим параметром микросхем ПЗУМ является время выборки адреса. При необходимости стробировать выходные сигналы на управляющие входы CS следует подавать импульсы после поступления кода адреса. В таком случае в расчет времени считывания надо принимать время установления сигнала CS относительно адреса и время выбора. У микросхемы КР1610РЕ1 предусмотрен дополнительный сигнал ОЕ для управления выходом.

Выходные сигналы у всех микросхем ПЗУМ имеют ТТЛ-уровни. Выходы построены в основном по схеме с тремя состояниями.

Рисунок 17. Микросхемы масочных ПЗУ

Для снижения потребляемой мощности некоторые микросхемы, например К.596РЕ1, допускают применение режима импульсного питания, при котором питание на микросхему подают только при считывании информации.

Устойчивая тенденция к функциональному усложнению БИС памяти проявляется и в микросхемах ПЗУМ: в их структуру встраивают интерфейсные узлы для сопряжения со стандартной магистралью и для объединения микросхем в модуль ПЗУ без дополнительных дешифраторов К1801РЕ1. К1809РЕ1, устройства для самоконтроля и исправления ошибок КА596РЕ2, К563РЕ2.

Микросхемы К1801 РЕ 1 и К1809РЕ1 имеют много общего в назначении, устройстве и режимах работы. Назначение выводов микросхем показано на рис.17, и. Обе микросхемы предназначены для работы в составе аппаратуры со стандартной системной магистралью для микроЭВМ: встроенное в их структуру устройство управления (контроллер) позволяет подключать микросхемы непосредственно к магистрали. Как микросхемы ПЗУМ они содержат матрицу емкостью 65384 ЭП, регистры и дешифраторы кода адреса, селекторы, имеют организацию 4КХ16 бит Информация заносится по картам заказа изготовителем.

В структуру встроены также 3-разрядный регистр с «зашитым» кодом адреса микросхемы и схема сравнения для выбора микросхемы в магистрали. Наличие встроенного устройства адресации позволяет включать в магистраль до восьми микросхем одновременно без дополнительных устройств сопряжения

Особенностью микросхем, обусловленной их назначением, является совмещение адресных входов Al--A15 и выходов данных DOo--DO15. Выходные формирователи выполнены по схеме на три состояния. Три старших разряда кода адреса Ац--A13 предназначены для выбора микросхемы, остальные разряды Ats-- At для выборки считываемого слова. Разрешение на прием основного адреса формирует схема сравнения по результату сопоставления принятого и «зашитого» адресов микросхемы. Принятый адрес фиксируется на адресном регистре, а входы-выходы переходят в третье состояние.

Система управляющих сигналов включает: DIN -- разрешение чтения данных из ОЗУ (иначе RD); SYNC -- синхронизация

обмена (иначе СЕ --разрешение- обращения), CS -- выбор микросхемы, RPLY -- выходной сигнал готовности данных

сопровождает информацию DOo-- DO15, считываемую в магистраль.

Режим хранения обеспечивается сигналами SYNC = 1 или CS = 1. В режиме считывания время обращения к микросхеме определяет сигнал SYNC =0. Кроме него поступают сигналы кода адреса на выводы ADOi--ADO15 и CS =0. При совпадении адреса ADO15--ADO13 с адресом микросхемы во входной регистр "поступает адрес считываемого слова, а выводы ADO,--ADO15 переходят в третье состояние. Считанное слово из матрицы записывается в выходной регистр данных и по сигналу DIN =0 появляется на выходах РО0--РО}