Устройства для хранения информации

(Запоминающие устройства)

Одним из важнейших функциональных устройств цифровых систем являются запоминающие устройства (ЗУ). Запись информации может быть осуществлена на перфолентах и перфокартах пробиванием отверстий; на магнитных лентах, барабанах и дисках с использованием магнитных материалов с прямоугольной петлей гистензиса, а также с использованием полупроводниковых приборов. Полупроводниковые ЗУ характеризуются высоким быстродействием, надежностью и малой мощностью потребления. В связи с этим последняя группа ЗУ находит все большее применение, поэтому ее рассмотрим подробнее.

По времени хранения информации ЗУ делятся на постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ). В ПЗУ информация хранится длительное время и сохраняется при выключении источников питания. В ОЗУ информация записывается и хранится лишь во время работы цифровой системы. Выключение питания разрушает записанную в ОЗУ информацию.

В кристалле полупроводниковых ЗУ совмещены матрица запоминающих элементов (ЗЭ), каждый из которых хранит один бит информации и схема управления, обеспечивающая обращение к ЗЭ. ЗЭ организуются в ячейки, имеющие разрядность от одного до n бит. Каждая ячейка имеет свой индентификатор (адрес), представленный двоичным кодом. Характеристики ЗУ: 1) емкость – выражается в битах (или Кбит), например, 256 бит, 1024 бит (или 1К бит), 16384 бит (или 16К бит) и т.п.; 2) организация ЗУ (ЗУ емкостью 1024 бита может содержать 1024 адресуемых ячейки, размерностью 1 бит (1024*1) или 256 ячеек размерностью 4 бита, т.е. 256 четырехбитных слова 256*4 или 128 ячеек размерностью 8 бит, т.е. 128*8 и т.д); 3) эксплуатационные характеристики (допустимая мощность рассеивания, быстродействие, рабочая температура и т.д).

Оперативные ОЗУ могут выполнять две основные операции: ввод информации в адресуемую ячейку – запись WRITE (WR) и вывод информации из ячейки – считывание READ (RD). Обе операции называются операциями обращения к памяти.

ПЗУ

В ПЗУ может производиться только операция считывания. Информация, хранимая в ПЗУ, заносится на заводе-изготовителе в процессе изготовления микросхемы с помощью специальных фотошаблонов. Такие микросхемы используются для хранения констант, не изменяющихся про­грамм и т.д. Следующим типом ПЗУ являются микросхемы, позволяющие производить однократное занесение информации пользователем – программируемые ПЗУ. При этом в исходном состоянии все ЗЭ микросхемы содержат или "0" или "1". Запись информации осуществляется с помощью программатора путем пережигания импульсами тока тонких проводящих перемычек. И, наконец, выпускаются перепрограммируемые ПЗУ, в которых запись может осуществляться несколько раз. К таким относятся ПЗУ с ЗЭ на МОП-транзисторах. Электрический заряд, создаваемый на затворе при программировании, может сохраняться годами. Перед новым программированием заряды снимаются с помощью ультрафиолетового облучения.

На рисунке 5.48 приведена схема ПЗУ матричного типа с трехразрядным адресом.

При подаче адресного слова с кодом 001 на первом выходе дешифратора логическая единица. При этом на шинах данных через диоды VD₁₀, VD₁₁, VD₁₃ появится число 1101. При подаче адресной комбинации 111 на седьмом выходе дешифратора появится "1", а на выходных шинах появится число 0011 и т.д. ЗУ на диодах обладают малым быстродействием и поэтому широкого распространения не получили. Вместо диодных запоминающих ячеек в матрицах памяти обычно применяют ячейки на полевых транзисторах: р-МОП, n-МОП и КМДП. При использовании полевых транзисторов адресные шины подключаются к затворам, истоки (где это необходимо) соединяются путем металлизации с корпусом, а стоки к разрядным шинам, на которые через ограничивающий резистор подается питание (рисунок 5.48б). При подаче сигнала на адресную шину, соответствующий транзистор открывается и на шине данных появляется "0".

а б

а – схема ПЗУ на диодах; б – фрагмент матрицы с ЗЭ на МОП-транзисторах.

Рисунок 5.48 – Схема ПЗУ 8*4 на диодах

Перепрограммируемые ПЗУ в настоящее время выпускаются двух типов. В ПЗУ первого типа матрица ЗЭ изготавливается аналогично матрице ПЗУ по МОП технологии, но между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается тонкий слой нитрида кремния (рису-
нок 5.47а). Нитрид кремния способен захватывать и сохранять электрический заряд длительное время (до 10 лет). Чтобы зарядить слой нитрида кремния, на затвор транзистора подается высоковольтный программирующий импульс по амплитуде, в несколько раз превышающий рабочие уровни напряжения. При подаче сигнала на адресную шину, подключенную к затворам транзисторов, происходит включение только "заряженных" транзисторов. Наличие заряда приводит к тому, что ЗЭ хранит "0", а его отсутствие "-1". Для стирания записанной информации, т.е. удаления заряда, захваченного слоем нитрида кремния, на затвор транзистора необходимо подать импульс напряжения противоположной полярности.

В ПЗУ второго типа матрица запоминающих элементов выполнена на МОП-транзисторах с плавающим затвором (рисунок 5.49б). В таком транзисторе вывод затвора не делается.

а б

а – ЗЭ с нитридом кремния; б – ЗЭ с "плавающим" затвором

Рисунок 5.49 – Запоминающие элементы перепрограммируемых ПЗУ

Подача большого напряжения между истоком и стоком удаляет дырки от плавающего затвора. Электроны же, захваченные затвором, образуют отрицательный заряд, создающий проводящий канал между стоком и истоком. Стирание информации осуществляется засвечиванием транзисторов через кварцевое окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов и переводит их в непроводящее состояние. При этом обычное освещение не влияет на запрограммированное ПЗУ.