НТВ плюс 

Принцип действия пзу. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Основные характеристики ПЗУ

Компьютеры и любая электроника - сложные устройства, принципы работы которых не всегда понятны большинству обывателей. Что такое ПЗУ и зачем устройство необходимо? Большинство людей не смогут дать ответ на этот вопрос. Попробуем исправить это недоразумение.

Что такое ПЗУ?

Чем они являются и где используются? Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) представляют собой энергонезависимую память. Технологически они реализованы как микросхема. Одновременно мы узнали, какова аббревиатуры ПЗУ расшифровка. Предназначены устройства для хранения информации, введённой пользователем, и установленных программ. В постоянном запоминающем устройстве можно найти документы, мелодии, картинки - т.е. всё, что должно храниться на протяжении месяцев или даже лет. Объемы памяти, в зависимости от используемого устройства, могут меняться от нескольких килобайт (на простейших устройствах, имеющих один кристалл кремния, примером которых являются микроконтроллеры) до терабайтов. Чем больше объем ПЗУ - тем больше объектов может быть сохранено. Объем прямо пропорционален количеству данных. Если уплотнить ответ на вопрос, что такое ПЗУ, следует ответить: это которое не зависит от постоянного напряжения.

Жесткие диски как основные постоянные запоминающие устройства

На вопрос, что такое ПЗУ, уже дан ответ. Теперь следует поговорить о том, какие они бывают. Основным постоянным запоминающим устройством являются жесткие диски. Они есть в каждом современном компьютере. Используются они благодаря своим широким возможностям накопления информации. Но при этом существует ряд ПЗУ, которые используют мультиплексоры начальные загрузчики и прочие подобные электронные механизмы). При детальном изучении будет нужно не только понимать значение ПЗУ. Расшифровка других терминов тоже необходима, для того, чтобы вникнуть в тему.

Расширение и дополнение возможностей ПЗУ благодаря флеш-технологиям

Если стандартного пользователю не хватает, то можно воспользоваться дополнительным расширением возможностей предоставленного ПЗУ в сфере хранения данных. Осуществляется это посредством современных технологий, реализованных в картах памяти и USB-флеш-накопителях. В их основе лежит принцип многоразового использования. Другими словами, данные на них можно стирать и записывать десятки и сотни тысяч раз.

Из чего состоит постоянное запоминающее устройство

В составе ПЗУ находится две части, которые обозначаются как ПЗУ-А (для хранения программ) и ПЗУ-Э (для выдачи программ). Постоянное запоминающее устройство типа А является диодно-трансформаторной матрицей, которая прошивается с помощью адресных проводов. Этот раздел ПЗУ выполняет главную функцию. Начинка зависит от материала, из которого сделаны ПЗУ (могут применяться перфорационные и магнитные ленты, перфокарты, магнитные диски, барабаны, ферритовые наконечники, диэлектрики и их свойство накопления электростатических зарядов).

Схематическое строение ПЗУ

Этот объект электроники изображается в виде устройства, которое по внешнему виду напоминает соединение определённого числа одноразрядных ячеек. Микросхема ПЗУ, несмотря на потенциальную сложность и, казалось бы значительные возможности, по размеру мала. При запоминании определённого бита производится запайка к корпусу (когда записывается нуль) или к источнику питания (когда записывается единица). Для увеличения разрядности ячеек памяти в постоянных запоминающих устройствах микросхемы могут параллельно соединяться. Так и делают производители, чтобы получить современный продукт, ведь микросхема ПЗУ с высокими характеристиками позволяет им быть конкурентными на рынке.

Объемы памяти при использовании в различных единицах техники

Объемы памяти разнятся в зависимости от типа и предназначения ПЗУ. Так в простой бытовой технике вроде стиральных машинок или холодильников можно хватает установленных микроконтроллеров (с их запасов в несколько десятков килобайт), и в редких случаях устанавливается что-то более сложное. Использовать большой объем ПЗУ здесь не имеет смысла, ведь количество электроники невелико, и от техники не требуется сложных вычислений. Для современных телевизоров требуется уже что-то более совершенное. И вершиной сложности является вычислительная техника вроде компьютеров и серверов, ПЗУ для которых, как минимум, вмещают от нескольких гигабайт (для выпущенных лет 15 назад) до десятков и сотен терабайт информации.

Масочное ПЗУ

В случаях, когда запись ведётся при помощи процесса металлизации и используется маска, такое постоянное запоминающее устройство называется масочным. Адреса ячеек памяти в них подаются на 10 выводов, а конкретная микросхема выбирается с помощью специального сигнала CS. Программирование этого вида ПЗУ осуществляется на заводах, вследствие этого изготовление в мелких и средних объемах невыгодно и довольно неудобно. Но при крупносерийном производстве они являются самым дешевым среди всех постоянных запоминающих устройств, что и обеспечило им популярность.

Схематически от общей массы отличаются тем, что в запоминающей матрице соединения проводников заменены плавкими перемычками, изготовленные из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки, и компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Но во время подготовительного программирования подаётся повышенное напряжение, с помощью которого оставляют логические единицы. При подаче низких напряжений перемычки испаряются, и компьютер считывает, что там логический нуль. По такому принципу действуют программируемые постоянные запоминающие устройства.

Программируемые постоянные запоминающие устройства

ППЗУ оказались достаточно удобными в процессе технологического изготовления, чтобы к ним можно было прибегать при средне- и мелкосерийном производстве. Но такие устройства имеют и свои ограничения - так, записать программу можно только раз (из-за того, что перемычки испаряются раз и навсегда). Из-за такой невозможности использовать постоянное запоминающее устройство повторно, при ошибочном записывании его приходится выбрасывать. В результате повышается стоимость всей произведённой аппаратуры. Ввиду несовершенства производственного цикла эта проблема довольно сильно занимала умы разработчиков устройств памяти. Выходом из этой ситуации стала разработка ПЗУ, которое можно программировать заново многократно.

ПЗУ с ультрафиолетовым или электрическим стиранием

И получили такие устройства название «постоянное запоминающее устройство с ультрафиолетовым или электрическим стиранием». Создаются они на основе запоминающей матрицы, в которой ячейки памяти имеют особую структуру. Так, каждая ячейка является МОП-транзистором, в котором затвор сделан из поликристаллического кремния. Похоже на предыдущий вариант, верно? Но особенность этих ПЗУ в том, что кремний дополнительно окружен диэлектриком, обладающим чудесными изолирующими свойствами, - диоксидом кремния. Принцип действия здесь базируется на содержании индукционного заряда, который может храниться десятки лет. Тут есть особенности по стиранию. Так, для ультрафиолетового ПЗУ-устройства необходимо попадание ультрафиолетовых лучей, идущих извне (ультрафиолетовой лампы и т.д.). Очевидно, что с точки зрения простоты эксплуатация постоянных запоминающих устройств с электрическим стиранием является оптимальным, так как для их активации необходимо просто подать напряжение. Принцип электрического стирания был с успехом реализован в таких ПЗУ, как флеш-накопители, которые можно увидеть у многих.

Но такая ПЗУ-схема, за исключением построения ячейки, структурно не отличается от обычного масочного постоянного запоминающего устройства. Иногда такие устройства называют ещё репрограммируемыми. Но при всех преимуществах имеются и определённые границы скорости стирания информации: для этого действия обычно необходимо около 10-30 минут.

Несмотря на возможность перезаписи, репрограммируемые устройства имеют ограничения по использованию. Так, электроника с ультрафиолетовым стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. Затем разрушающее влияние излучения становится настолько ощутимым, что они перестают функционировать. Увидеть использование подобных элементов можно в качестве хранилищ для программ BIOS, в видео- и звуковых картах, для дополнительных портов. Но оптимальным относительно перезаписи является принцип электрического стирания. Так, число перезаписей в рядовых устройствах составляет от 100 000 до 500 000! Существуют отдельные ПЗУ-устройства, которые могут работать и больше, но большинству пользователей они ни к чему.

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

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:

    микропроцессорная память;

    основная память;

    регистровая кэш-память;

    внешняя память.

Микропроцессорная память рассмотрена выше. Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:

    прием информации от других устройств;

    запоминание информации;

    выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств:

    ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

    ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.

ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.

В ПЗУ находятся:

    программа управления работой процессора;

    программа запуска и останова компьютера;

    программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;

    программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;

    информация о том, где на диске находится операционная система.

ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.

ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается.

В современных компьютерах объем памяти обычно составляет 8-128 Мбайт. Объем памяти - важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ.

Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом рключении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера - SETUP.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя.

В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Реntium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт. Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранятся все программное обеспечение компьютера.

Устройства внешней памяти - внешние запоминающие устройства - весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.

Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:

    накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

    накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

    накопители на оптических дисках (CD-ROM).

Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте - стримеры.

Накопители на дисках - это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра - совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни, находилась головка записи и чтения накопителя.

Все диски - и магнитные, и оптические - характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Из гибких магнитных дисков наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5(89 мм). Емкость этих дисков составляет 1,2 и 1,44 Мбайт.

Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.

В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках - ZIP-диске - переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.

В последние годы самое широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках - от 640 Мбайт и выше.

Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.

Кроме основной своей характеристики - информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:

    временем доступа;

    скоростью считывания подряд расположенных байтов.

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

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}