PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
PAMIĘCI W SYSTEMACH MIKROPROCESOROWYCH
PAMIĘCI W SYSTEMACH MIKROPROCESOROWYCH
System mikroprocesorowy – samodzielny układ mikroprocesora, współpracujących
System mikroprocesorowy – samodzielny układ mikroprocesora, współpracujących
z nim pamięci
z nim pamięci
oraz urządzeń wejścia-wyjścia.
oraz urządzeń wejścia-wyjścia.
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięci półprzewodnikowe - klasyfikacja
Pamięci półprzewodnikowe - klasyfikacja
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Schemat funkcjonalny modułu pamięci ROM
Schemat funkcjonalny modułu pamięci RAM
Charakterystyka ogólna
Podstawowe parametry pamięci :
pojemność
organizacja
czas dostępu – czas od podania adresu na wejście A do chwili pojawienia się na wyjściu danych z komórki
pamięci o
podanym adresie
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć ROM
sterowanie linii – po
zaadresowaniu komórki
stan komórki przenoszony
jest na linię bitu (BL)
multiplekser – wybieranie
linii bitu.
komórki diodowe – mała
szybkość, na linii bitu
tworzą wielowejściową
bramkę logiczną OR.
komórki z tranzystorem
bipolarnym – szybsze,
tranzystor szybko ładuje C
L
komórki z tranzystorem
MOS – szybkie
rozładowanie C
L
, na linii
bitu tworzą bramkę
logiczną NOR
Komórki pamięci ROM :
Komórka diodowa Komórka
Komórka
z tranzystorem
bipolarnym z tranzystorem MOS
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
e
– sygnał zezwolenia EN;
E – Enable wejście sygnału e.
Np.:
EN = 1 – zezwolenie
EN = 0 – stan spoczynku pamięci,
obniżona moc
Sygnały selekcjonujące (zezwalające) :
S – słowo sterujące
S = A – EN ;
A – adres
CE – Chip Enable
CS – Chip Select
Pojemność pamięci :
N w
N = 2
n
– liczba słów
w – liczba bitów w słowie wyjściowym
Schemat ogólny pamięci ROM
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Budowa pamięci MOS ROM
Zalety :
niska cena przy dużej liczbie egzemplarzy
duże pojemności
zachowuje informacje po odłączeniu
zasilania
mały pobór mocy
proste układy aplikacyjne
Wady :
brak możliwości modyfikacji zawartości
wysoki koszt opracowania pamięci o nowej
zawartości informacji
Zastosowanie :
do przechowywania oprogramowania
standardowego
generatory znaków
Odczyt pamięci :
wybór odpowiedniego wiersza
gdy na przecięciu wiersza i kolumny
znajduje się tranzystor następuje
obniżenie napięcia na linii bitu (kolumny)
inaczej napięcie linii bitu w zakresie
napięć stanu wysokiego
zdekodowanie adresów kolumn
dane na wyjściach pamięci
Programowanie pamięci :
wprowadzenie odpowiednich masek podczas
procesu
technologicznego
selektywne wytwarzanie tranzystorów MOS
(wytworzenie i przyłączenie bramki
tranzystora do
odpowiedniej linii wiersza w matrycy)
proces jednorazowy i nieodwracalny
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Programowanie
w sposób trwały przez użytkownika
pamięć „czysta” - 0 lub 1 w każdej komórce
selektywne przepalanie połączeń emiter – linia
bitów
Proces programowania (przykład) :
stan pierwotny – wszystkie połączenia s
istnieją
pamięć zapełniona zerami
programowanie – ustalenie adresu
napięcie U
CC
= 5V podnoszone do 12V
odcięcie tranzystorów wyjściowych
przepalanie połączeń s
Wady :
bardzo ograniczone możliwości
modyfikacji
wprowadzonej informacji
duży pobór mocy
małe pojemności
Pamięć PROM
Zalety :
łatwość wprowadzania informacji przez użytkownika
duża szybkość
zachowanie informacji po odłączeniu zasilania
proste układy aplikacyjne
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Symbol elektryczny
magazynowanie ładunku w podbramkowej warstwie dielektrycznej
struktury dielektryczne: azotek krzemu (MNOS), tlenek aluminium (MAOS), poli-Si (FAMOS – Floating
Avalanche-Injested)
– struktura swobodnej bramki
Proces programowania :
ustalenie wystarczająco dużego napięcia
sterującego na
bramce sterującej i drenie
elektrony w obszarze zubożonym przyśpieszane są
w kierunku
największego natężenia pola
przy natężeniu pola >10
5
V/cm elektrony zyskują
dużą energię
komórka zaprogramowana, stan 0 oznacza nie
przewodzenie czyli napięcie bramki sterującej jest
za małe
Pamięć EPROM (MOS, HMOS, CMOS)
Programowanie komórki
EPROM
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Proces kasowania :
kasowanie komórki, kasowanie całej pamięci EPROM
naświetlenie kostki układowej ze źródła promieniowania nadfioletowego o długości 2537A (4.9
eV)
fotony absorbowane są przez elektrony w swobodnej bramce
zwiększenie energii elektronów (opuszczenie bramki) powoduje wchłonięcie ich przez bramkę
sterującą lub
podłoże
wzbudzenie elektronów z pasma walencyjnego wymaga energii większej od 4.3 eV , a z pasma
przewodnictwa tylko
3.2 eV.
Parametry kasowania :
wymagana dawka promieniowania nadfioletowego 15 - 25 Ws/cm
3
czas naświetlenia zwykle 15 45 minut
nadmierna dawka = zmniejszenie trwałości i niezawodności pamięci
sztuczne światło = skasowanie pamięci po 1 3 latach
światło słoneczne = skasowanie już po około 7 dniach
układy 2716 firmy Intel – ulotność w czasie 10 lat
Kasowanie komórki EPROM
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Izolowana warstwa azotku krzemu :
przechowywanie ładunku
elektrycznego
ładowanie inicjowane poprzez efekt
tunelowy
Sposoby realizacji komórek :
MNOS ze strukturą: cztero, dwu i pseudojednotranzystorową
Pamięć EEPROM (MOS, HMOS)
pamięci te powstały w wyniku modyfikacji
komórki pamięci
UV - EPROM
pamięć o zawartości zmienianej elektrycznie
wygodniejsza w użyciu niż pamięć o zawartości
kasowanej
nadfioletem
Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa
procesu Fowlera-Nordeheima
nachylenie: 1 dekada / 0,8V
dla 11 rzędów różnicy pomiędzy I programowania
i
ulotności, różnica napięć ΔU 8,8V =
nieulotność ok. 10 lat
(125
0
C)
Wykorzystywane
jako element
pamięciowy
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć EEPROM (MOS,HMOS)
Struktura FLOTOX stosowana w pamięciach EEPROM
Proces zapisu danych
Zapis :
poprzedzony kasowaniem
zawartości
komórek (wprowadzenie w
stan
naładowania komórek, do
których
informacja jest wpisywana)
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Kasowanie danych
zapis bajtu zawierającego
same
jedynki wymaga dwóch
kolejnych
zapisów :
zapisu bajtu jedynkowego
selektywnego wpisu zer
Odczyt danych
przy podaniu napięcia +5V na linię programowania i linię słowa komórka jest w stanie nie
przewodzenia, a
komórka rozładowana przewodzi
odczyt nie pogarsza żywotności pamięci EEPROM, nie wymaga stosowania wysokich napięć
na końcówkach
tranzystorów pamiętających
Zalety :
możliwość wprowadzania i modyfikacji
informacji
w układzie aplikacyjnym
mały pobór mocy
zachowanie informacji po odłączeniu
zasilania
Wady :
wysoka cena
dość długi czas zapisu
informacji
średnia pojemność
Pamięć EEPROM (MOS,HMOS)
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
FLASH EEPROM (MOS, HMOS)
– pamięć kasowalna elektrycznie
Rodzaje pamięci FLASH :
NOR
wiele tranzystorów połączonych drenami do wspólnych
linii bitu
prosty odczyt, polegający na zaadresowaniu jednej
linii słowa WL
oraz odczycie stanów na liniach bitu BL
NAND
prosta budowa
czas dostępu przy odczycie znacznie dłuższy
wszystkie niezaadresowane komórki łańcucha
są w stanie przewodzenia
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Wady :
dość wysoki koszt
mniejsza pojemność w porównaniu
z dyskami twardymi
Zalety :
szybsze kasowanie, większy stopień integracji
mała powierzchnia komórki (porównywalna z komórkami
FAMOS)
większa niezawodność na wielokrotne kasowanie/zapis
niż EEPROM
tańsze niż EEPROM (ok. 5-krotnie)
Programowanie (wpis zera) :
wstrzykiwanie gorących elektronów (jak w
EPROM)
Kasowanie (wpis jedynki) :
wykonywane w procesie tunelowym Fowlera-Nordheima poprzez uziemienie bramki sterującej i
przyłączenie źródła do
podwyższonego napięcia dodatniego
Pamięć FLASH EEPROM (MOS, HMOS)
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć
RAM
Linie bitu – realizacja dostępu do
kolumny
matrycy
Matryca pamięciowa – zespół komórek
pamięciowych
Adresowanie wierszy i kolumn w
matrycy w kodzie „1 z N”
Linie słowa – realizacja dostępu do
wiersza
matrycy
Układ sterujący – wybór trybu pracy
(zapis / odczyt)
RAS
– Row Address Select
CAS
– Kolumn Address Select
WE
– Write Enable (tryb pracy zapis /
odczyt
danych)
Wzmacniacze odczytu – odczyt danych
z
komórek matrycy
Budowa układu pamięci półprzewodnikowej RAM :
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć S–RAM (MOS)
dostęp do komórki –
uaktywnienie
linii słowa (wybranie wiersza) i
linii
bitu (wybór kolumny)
zapis danych – wymuszenie
odpowiedniego stanu na
liniach
bitu
odczyt danych –
uaktywnienie
wzmacniacza odczytu przy
nieaktywnych wyjściach
wzmacniaczy zapisu
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
T1, T2
– przerzutnik
SR
‘1’ – T1
– przewodzi
T2
– zatkany
‘0’ – T1
– zatkany
T2
– przewodzi
wybór linii słowa – złącza
emiterów linii słowa
spolaryzowane zaporowo
zaporowa polaryzacja
emiterów linii bitów –
odcięcie komórki
od linii bitów
przepływ prądu przez
emiter linii bitów R
3
do U
EE
–
możliwość odczytu komórki
przepływ prądu do linii
słowa
Pamięć S–RAM (Bi)
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć S–RAM (Bi)
Budowa komórek bipolarnych w nowoczesnych pamięciach bipolarnych RAM :
schemat komórki z diodami
Schottky’ego
schemat struktury scalonej
schemat komórki z tranzystorami pnp i npn
schemat struktury scalonej
Właściwości :
minimalna powierzchnia, prosta struktura
zmniejszenie mocy strat w stanie nieaktywnym
diody Schottky’ego – duża rezystancja obciążenia w stanie nieaktywnym i mała w stanie aktywnym
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć S-RAM (Bi-CMOS)
Budowa pamięci statycznej RAM 64x1
Sposób scalania tranzystorów bipolarnych npn i
tranzystorów CMOS
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć S-RAM – charakterystyka ogólna
Definicja czasu dostępu do pamięci
Cykl odczytu pamięci statycznej
t
rc
– długość cyklu odczytywania
t
a
– czas dostępu mierzony od ustalenia adresu
t
oh
– czas przetrzymania danych po zmianie adresu
t
ace
– czas dostępu mierzony od opadającego zbocza
sygnału CE
t
clz
– opóźnienie otwarcia bramek wyjściowych na liniach
danych po
opadającym zboczu sygnału CE
t
chz
– opóźnienie zamknięcia bramek wyjściowych na
liniach danych
po narastającym zboczu sygnału CE
t
pu
– czas narastania prądu zasilania
t
pd
– czas opadania prądu zasilania
Wady :
wymaga ciągłego zasilania
dla zachowania informacji
wysoka cena
Zalety :
bardzo łatwe i szybkie
zapisywanie informacji
duża szybkość działania
proste układy aplikacyjne
dość duże pojemności
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć D-RAM
Odświeżanie pamięci:
co 2 – 4 ms powtórny
zapis każdej komórki
przeplatanie cykli
zapis / odczyt
WE
– Write Enable
(tryb
pracy zapis /
odczyt
danych)
CAS
– Column Addreess
Select
RAS
– Row Addreess
Select
Schemat struktury pamięci dynamicznej
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
1 metoda
cała pamięć odświeżana co ~2ms
blokowanie dostępu do mikroprocesora na
kilkadziesiąt s
uniemożliwienie szybkiej reakcji na przerwania
2 metoda
przeplatanie cykli zapis / odczyt z mikroprocesora z cyklami odświeżania
kolejnych wierszy
kolejne cykle odświeżania inicjowane co kilkanaście s
po zakończeniu cyklu stan licznika wierszy zwiększany o 1
Układ
arbitrażu
–
rozstrzyga
konflikt
jednoczesnego
żądania
dostępu
do P i układu
odświeżania
pamięci
Odświeżanie pamięci D-RAM :
Sterowanie pamięci dynamicznej
Pamięć D – RAM
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Pamięć D-RAM (MOS, CMOS)
Dynamiczna komórka pamięciowa
Skład elektryczny
Właściwości :
niewielka powierzchnia
komórka składa się z 2 elementów: tranzystora i
mikrokondensatora
efektywność odczytu informacji
minimalne koszty produkcji
Pamiętanie bitu :
1, 0 – stany naładowania i neutralny
0 – stan trwały
1 – stan nietrwały (konieczność odświeżania co kilka ms)
Tendencje rozwojowe :
zmniejszenie powierzchni komórki, strat mocy
wzrost pojemności = wzrost współczynnika podziału ładunku
Struktura Dennarda
Struktura
Kosonocky’ego
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Schemat blokowy (Intel 2400)
Pamięć NVRAM (HMOS)
Komórka pamięci ulotnej S-RAM
Komórka nieulotnej pamięci EEPROM
Struktura SRAM
każda komórka (przerzutnik SR) jest równolegle połączona z komórką pamięci EEPROM
Właściwości
nieulotność informacji przy krótszym czasie zapisu niż w przypadku pamięci EEPROM
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
Współczesne technologie pamięci NVRAM :
FRAM - nośnikiem danych jest kryształ (konstrukcja prototypowa)
MEMS - pamięć mikroelektromechaniczna (konstrukcja eksperymentalna)
MRAM - nośnikiem danych są magnetyczne złącza tunelowe (konstrukcja prototypowa)
NRAM - pamięć zbudowana z węglowych nanorurek (konstrukcja eksperymentalna)
PRAM - elementem pamięciowym jest kryształ (konstrukcja prototypowa)
FRAM (FeRAM, Ferroelectric RAM) – pamięć nieulotna oparta na nośniku krystalicznym - kryształach stopu cyrkonianu
i tytanianu ołowiu (perowskitu). Kryształy te zawierają wewnątrz siatki atomy o dwóch stabilnych pozycjach.
Właściwości :
przyłożenie napięcia o odpowiedniej polaryzacji wymusza zmianę pozycji atomu
odczyt polega na pomiarze pochłanianej energii po kolejnym przyłożeniu napięcia – wiąże się to z
koniecznością
regeneracji zapisu w komórce.
Zalety :
mały pobór energii
stosunkowo duża trwałość (10¹² cykli)
stosunkowo duża szybkość
Wady :
duży rozmiar komórki
kłopotliwe odświeżanie
mała kompatybilność z technologia CMOS
Zastosowanie :
używane jako wbudowane elementy produktów półprzewodnikowych w platformie telefonów
komórkowych OMAP
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
MEMS (ang. "Micro Electro-Mechanical Systems") – popularne określenie miniaturowych urządzeń elektro
– mechanicznych,
o rząd wielkości większych niż te zbudowane przy użyciu nanotechnologii
Przyrządy MEMS :
to elementy mikromechaniczne o wymiarach mikrometrowych zawierające trójwymiarowe
mikrostruktury wykonane
często metodami litografii
są zazwyczaj wykonane za pomocą technologii mikroelektroniki, podobnych do wykorzystywanych
przy wytwarzaniu
przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych
wytwarzane są za pomocą zmodyfikowanych technologii obróbki krzemu, wytłaczania (ang.
molding), platerowania (ang.
plating) i innych technologii przydatnych do tworzenia miniaturowych przyrządów
MRAM – rodzaj pamięci nieulotnej RAM wykorzystującej tunelowy efekt magnetorezystancyjny
Właściwości :
element pamięciowy zbudowany jest z trzech warstw : miękkiej warstwy ferromagnetycznej,
niemagnetycznej bariery
tunelowej i twardej warstwy ferromagnetycznej, oraz z oplotu przewodnika
zapis polega na przemagnesowaniu miękkiego materiału magnetycznego przez płynący prąd, co
powoduje zmianę
rezystancji złącza
odczytu dokonuje się mierząc rezystancję
Zalety :
praktycznie nieograniczony czas przechowywania informacji bez zasilania
praktycznie nieograniczona ilość cykli zapis / odczyt
duża szybkość działania – czas zapisu ok. 30 ns (porównywalny z DRAM)
Wady :
niezgodność z technologią CMOS
stosunkowo wysokie koszty produkcji
stosunkowo duże rozmiary elementarnej komórki pamięci
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
NRAM – układy wykorzystujące węglowe nanorurki o średnicy wynoszącej miliardową część metra
Właściwości :
technologia produkcji odbywa się z wykorzystaniem fotolitografii
proces przebiega w sposób bardzo zbliżony do produkcji zwykłych układów pamięci
nośnikiem danych są nanorurki, a precyzyjniej – ich zmienne ustawienie
Zalety :
duża szybkość, mały pobór mocy
niskie koszty produkcji, właściwe układom DRAM z zaletami chipów flash
stosunkowo łatwy odczyt danych
duża wytrzymałość nanorurek = ok. biliona cykli zapisu
Zastosowanie :
mogą zastąpić nie tylko pamięci DRAM i flash, ale także np. dyski twarde
PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ
PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE
PRAM (PCRAM – Phase Change RAM) – typ pamięci nieulotnej opartej na nośniku krystalicznym
Właściwości :
wykorzystują zjawisko zmiany fazy punktów nośnika z krystalicznej na amorficzną (i odwrotnie) za
pomocą podgrzewania
impulsami elektrycznymi
odczyt dokonywany jest przez pomiar rezystancji nośnika (różna dla różnych faz)
nośnikiem jest stop tellurku antymonu i tellurku galu, podobny do stosowanego w płytach CD-RW
Zalety :
możliwość zapisu w jednej komórce więcej niż 1 bitu informacji
stosunkowo duża szybkość zapisu i odczytu – ok. 300 ns
stosunkowo duża trwałość – 1012 cykl
długi czas przechowywania informacji
stosunkowo prosta produkcja przy zastosowaniu istniejącego sprzętu
bezpośrednia zamienność z pamięciami typu Flash EEPROM
Wady :
na obecnym etapie wysoki koszt produkcji
wysokie temperatury występujące podczas zapisu mogą pogorszyć niezawodność w rzeczywistych
układach
ciągle zbyt mała prędkość zapisu i trwałość
Zastosowanie :
przeznaczone w miejsce obecnych pamięci RAM