вход Вход Регистрация



Постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ) называются ЗУ, в которых существует постоянная зависимость между входной (адресом) и выходной (числом) информациями. При вызове одного адреса в ПЗУ всегда читается одна определенная информация, соответствующая этому адресу. ПЗУ предназначено для хранения стандартных подпрограмм, микропрограмм, необходимых для автоматической работы ЭВМ.

ПЗУ обычно строятся как адресные ЗУ (рис.8.8). Функционирование ПЗУ можно рассматривать как выполнение однозначного преобразования k-разрядного кода адреса ячейки в n-разрядный код хранящегося в ней слова, т.е. ПЗЗУ можно считать преобразователем кодов (комбинационной схемой) с k-входами и n-выходами. ЗМ образуется системой перпендикулярных шин, в пересечении которых устанавливаются ЗЭ, которые связывают (состояние «1») между собой соответствующие горизонтальные и, вертикальные шины. Дешифратор Дш по коду адреса в РгА выбирает одну из горизонтальных шин, в которую подается сигнал выборки. Выходной сигнал (сигнал «1») появляется на тех вертикальных разрядных шинах, которые имеют связь с возбужденной адресной шиной.

Рис.8.8. Структура ПЗУ

Отличие между ПЗУ и ПЛМ заключается в построении первой ступени – дешифратора. В первой ступени ПЗУ строится столько схем И, сколько может быть входных комбинаций, т.е. 2n, в ПЛМ количество схем И ограничено независимо от разрядности входного кода. В ПЗУ каждая комбинация значима, в то время как в ПЛМ некоторые комбинации могут быть несущественными.

В зависимости от типа ЗЭ (связывающих элементов) различают резисторные, емкостные, индуктивные (трансформаторные, на магнитных пленках) и полупроводниковые (интегральные) ПЗУ. До последнего времени в ЭВМ использовались трансформаторные ПЗУ, сейчас наиболее распространенным типом ПЗУ становятся полупроводниковые интегральные ПЗУ.

Полупроводниковые ПЗУ. По типу ЗЭ, устанавливающих или разрывающих связь (контакт) между горизонтальными и вертикальными шинами, различают биполярные и МОП-схемы ПЗУ. Биполярные ПЗУ имеет высокое быстродействие (время выборки 30-50 нс), на малую емкость (256 бит, 1К на один кристалл). ПЗУ на МОП-схемах имеют большую емкость (от 2 К до 16 К на один кристалл), но малое быстродействие (время выборки 0,5-2 мкс).

По способу занесения информации различают три типа интегральных полупроводниковых ПЗУ: 1) с программированием в процессе изготовления нанесением контактных перемычек с помощью фотошаблонов в нужных потребителю точках; 2) с программированным выжиганием перемычек или пробоев p-n переходов одноразовое программирование); 3) с электрическим программированием, при котором информация заносится в ЭМ электрическим путем, а стирание информации выполняется воздействием на ЗМ ультрафиолетового излучения или электрическим путем (перепрограммируемый ПЗУ – ППЗУ).

ЗЭ в ПЗУ. На рис.8.9,а показан биполярный транзисторный ЗЭ с выжигаемой перемычкой, соединяющий горизонтальную и вертикальную шину. При «программировании» ПЗУ перемычки выжигаются в нужных местах импульсами тока амплитудой 20…30 мА. При выборе адресным дешифратором горизонтальной шины Х на базу транзистора ЗЭ поступает открывающий его сигнал и в случае наличия перемычки (состояние «1») на вертикальной шине появляется потенциал коллектора транзистора +5. На рис.8.9,б изображен ЗЭ, программируемый пробиванием р-n – перехода. В исходном состоянии включенные встречно диоды изолируют шины Х и Y (состояние «0»). При подаче повышенного напряжения диод VD1 пробивается и закорачивается (состояние «1»).

На рис.8.9,в изображен ЗЭ, используемый в ППЗУ на лавинно-инжекционном МОП-транзисторе с плавающим и селекторным затворами. Плавающий (кремниевый) затвор не имеет электрического подвода и предназначен для хранения заряда. Селекторный затвор подсоединен к одному из выходов дешифратора строк (шине Х), а сток – к шине Y. В исходном состоянии отсутствует заряд на плавающем затворе (состояние «1», проводящее) транзистор имеет небольшое пороговое напряжение. Выбор элемента осуществляется подачей на селекторный затвор выходного напряжения адресного дешифратора при этом включается транзистор и через цепь сток-исток протекает значительный ток. Программирование (занесение «0» в элементы – непроводящее состояние) производится электрическим путем – подачей на сток импульса U = +25…50 В. При этом происходит инжекция электронов, имеющих высокую энергию, через окисел при лавинном пробое стокового р-n перехода на изолированный затвор, получающий отрицательный заряд. В результате увеличивается пороговое напряжение (состояние «0»). Теперь подача на селекторный затвор выходного напряжения дешифратора не включает этот транзистор. Сообщенное элементу состояние сохраняется сколько угодно долго.

Рис.8.9. ЗЭ в ПЗУ: а – с плавкой перемычкой; б – с пробиваемым р-n перехода;

в – на МОП-транзисторе с плавающим затвором;

г – на МНОП-транзисторе в режиме записи и стирания

Стирание информации производится облучением структуры ультрафиолетовыми лучами, в результате чего накопленный на плавающей затворе заряд рассасывается.

В ППЗУ с электрической записью и стиранием и сохранением информации при отключенном питании в качестве ЗЭ используются полупроводниковые металл-нитрид-окисель-полупроводник МНОП. В МНОП-структурах применяется композиционный подзатворный диэлектрик, состоящий из тонкого (~ 5 нм) слоя SiO2 и толстого (80-100 нм) слоя нитрида Si3N4 (рис.8.8,г), в котором имеются «ловушки» электронов.

В нормальном состоянии транзистор включен (низкое пороговое напряжение Uпн). В процессе записи на затвор МНОП-транзистора подается положительное напряжение (+ 30 В), при этом электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiO2 и захватываются «ловушками». Накопленный ими отрицательный заряд в слое нитрида повышает пороговое напряжение Uпв транзистора и переводит его в не проводящее состояние. Сохранение заряда в «ловушках» довольно длительное (10 000 часов). Считывание с ЗЭ на МНОП-транзисторах осуществляется при подаче на затвор напряжения считывания, удовлетворяющее условию Uпн < U < Uпв. Чтобы снять накопленный заряд, на затвор подается отрицательное напряжение такой же амплитуды. Это напряжение создает эффект, обратный процессу записи. МОП-транзисторы с плавающим затвором и МНОП-структуры обладают одним общим недостатком – большим временем записи (~ 10-3 с) и необходимостью управления большими напряжениями (~ 30 В) при записи.

В качестве ЗЭ в ППЗУ могут использоваться аморфные полупроводниковые (АП) материалы (например, V2O5 – пятиокись ванадия). Эти материалы способны сохранять одно из двух устойчивых состояний. В первом состоянии АП имеет аморфную структуру и высокое удельное сопротивление ~5·104 Ом·см, а во втором – поликристаллическую структуру с малым удельным сопротивлением 0,3 Ом·см (рис.8.10,а). Отношение сопротивлений в этих двух состояниях порядка ~103…105. ЗЭ для предотвращения паразитных связей изолируют друг от друга диодами или транзисторами (рис.8.10,б, в).

Рис.8.10. ЗЭ на АП: а – характеристика переключения АП;

матрицы ЗЭ на АП с диодными (б) и транзисторными (в) развязками

Чтобы перевести ЗЭ из аморфного состояния в поликристаллическое (0—>1), необходимо вначале подать импульс высокого напряжения (+30 В), а затем подать импульс тока ~7 мА и длительностью ~ 10 мс. После этого ЗЭ будет оставаться в низкоомном состоянии практически неограниченное время. Чтобы вернуть ЗЭ в высокоомное аморфное состояние («0»), необходимо подать импульс тока амплитудой 150 мА и длительностью ~ 5 мкс. Считывание осуществляется подачей тока ~ 1 мА и измерением падения напряжения на ЗЭ.

Структура перепрограммируемого ПЗУ емкостью 8К (1К х 8) бит на одном кристалле (в одном корпусе) изображена на рис.8.11. Запоминающий массив содержит 64 горизонтальных Х и 128 вертикальных Y шин, на пересечении которых расположены МОП-транзисторы с плавающим и селекторным затворами. Вертикальные шины разбиты на восемь групп по 16 в каждой. Число групп соответствует количеству разрядов, хранимых в микросхеме (корпусе) слов.

Шины Y одной группы посредством обычных МОП-транзисторов подсоединены к соответствующему разрядному усилителю считывания записи.

Выборка 8-разрядной ячейки ЗМ производится по методу совпадения возбужденных горизонтальных и вертикальных шин. Старшие разрядные адреса А0, А1, А2, А3 через буферы подаются на дешифратор шин Y, в результате чего возбуждается одна из 16 выходных линий этого дешифратора, и присоединенные к этой линии своими затворами восемь МОП-транзисторов подключают к разрядным усилителям считывания записи восемь вертикальных шин – по одной из каждой группы. К каждой из выбранных таким образом вертикальных шин подключены своими стоками 64 ЗЭ, затворы которых соединены с соответствующими горизонтальными шинами.

При подаче младших разрядов адреса А4,…А9 на дешифратор шин Х выбирается одна из 64 горизонтальных шин, в результате чего управляющий потенциал поступает на присоединенные к этой шине селекторные затворы 128 ЗЭ. В каждой группе шин выбирается один ЗЭ, оказавшийся на пересечении выбранных вертикальных и горизонтальных шин. Если выбранный элемент хранит 1(отсутствует заряд на плавающем затворе), то подача на селекторный затвор выходного напряжения адресного дешифратора включает транзистор ЗЭ и через его сток протекает ток на вход разрядного усилителя. Если же ЗЭ хранит 0 (имеется заряд на плавающем затворе), то сигнал с выхода дешифратора шин Х не может включить этот транзистор, и ток не поступает на вход зарядного усилителя. Разрядные усилители формируют и через буферы входа/выхода выдают на входы D0,…D1 микросхемы сигналы логических 0 и 1, соответствующие информации, находящейся в выбранной ячейке. При считывании информация в ячейке сохраняется.

Рис.8.11. Перепрограммируемое МОП-ПЗУ емкостью 8К (1Кх8) бит

Рассматриваемое ПЗУ может работать в двух режимах: 1) считывание хранимой информации; 2) запись (программирование ПЗУ). Режим считывания устанавливается подачей сигнала выбора корпуса, который настраивает схемы буферов входа/выхода и разрядных усилителей на формирование и передачу на входы D0,…D7 сигналов, считанных с ЗЭ. Перед записью производится стирание информации воздействием ультрафиолетового света на полупроводниковый кристалл ПЗУ. Под воздействием света заряды стекают с затворов. После стирания все ЗЭ находятся в состоянии 1 (проводящем).

Режим записи осуществляется при одновременной подаче сигнала «Запись» и импульса «Программирование». На входы А0,…А9 поступает адрес ячейки, в которую производится запись, а на выходы D0,…D1 (в режиме записи ставшие входами) поступает записываемое 8-разрядное слово. Сигнал «Запись» настраивает буфера входа/выхода и разрядные усилители на передачу информационных сигналов с входов D0,…D7 к стокам ЗЭ. При этом открываются усилители записи тех разрядов, в которых в записываемом слове находится 0. Эти усилители пропускают в выбранные дешифраторы шин Y вертикальные шины импульс «Программирование» + 26 В, который обеспечивает лавинный пробой и занесение отрицательного заряда в плавающие затворы (запись 0) только тех ЗЭ, селекторные затворы которых присоединены к горизонтальной шине, возбужденной выходным сигналом дешифратора шин Х. Рассматриваемое устройство имеет время выборки 0,4 – 1 мкс, время программирования 30 – 100 с. Перепрограммируемые ПЗУ широко используются при макетировании микропроцессоров и микроЭВМ.

ПЗУ можно использовать в логическом устройстве, реализующем функцию умножения двух переменных f = ХY. Один из способов реализации функции f = ХY – это решение функциональных зависимостей, требующих вычисления функций одной переменной по формуле На рис.8.12 показана функциональная схема умножителя на ПЗУ.

Рис.8.12. Функциональная схема умножителя

Входные аргументы Х и Y поступают на сумматоры SM 1(Х + Y) и SM 2(Х - Y). Причем аргумент Y подается на вход сумматора SM 2 в дополнительном коде через инверторы, а на младший его разряд подается логическая «1». С выходов сумматоров снимаются только старшие разряды n-1, таким образом осуществляется процесс деления сумм (Х + Y) и Х +(-Y) на два. Следовательно, после сумматоров SM 1, SM 2 сформировались аргументы: (Х + Y)/2 = α и (Х - Y)/2 = β, которые поступают в ПЗУ, где реализуется функция одного аргумента: φ = α2 или ψ = β2. После ПЗУ1, ПЗУ2 коды φ и ψ поступают на результирующий сумматор SM 3 с выхода которого снимается результат f = ХY.

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру