Nuolatinės atminties programatorius
5 (100%) 1 vote

Nuolatinės atminties programatorius

VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

ELEKTRONIKOS FAKULTETAS

RADIJO APARATŪROS KATEDRA

Eduardas Gebenis

NUOLATINĖS ATMINTIES PROGRAMATORIUS

Baigiamasis bakalauro darbas

Elektronikos studijų programa

Elektroninės aparatūros ir kompiuterinės technikos kryptis

Vadovas: doc. A. Baškys

Katedros vedėjas: prof. habil. dr. J. Skudutis

2002

Vilnius

ANOTACIJA

Eduardas GEBENIS

Nuolatinės atminties programatorius. Baigiamasis darbas elektronikos inžinerijos bakalauro laipsniui. Vilniaus Gedimino Technikos Universitetas. Vilnius, 2002, 40 p., 16 iliustr., 6 lent., 1xA1, 4xA4, 3xA3 brėž., 3xA1, 1xA2 plak.

Baigiamojo darbo tikslas – susipažinti su nuolatinėmis EPROM tipo atmintimis, parinkti programatoriaus schemą, atlikti jos analizę, suprojektuoti spausdintinę plokštę, sumontuoti veikiantį maketą ir atlikti jo eksperimentinį tyrimą. Darbe apžvelgta literatūra, išnagrinėtos analogiškos paskirties programatoriai, aptartos atminties mikroschemos programavimo ypatybės. Parodyta, kad suprojektuotas programatorius visiškai tenkina baigiamojo darbo užduoties techninius reikalavimus.

Noriu padėkoti PFI Mikroelektronikos laboratorijos darbuotojams už suteiktas vertingas pastabas ir pasiūlymus ruošiant baigiamąjį darbą.

1. Įvadas

Puslaidininkių pramonė ypač sparčiai pradėjo vystytis per pastaruosius kelerius metus. Nei vienas šiuolaikinis įrengimas neapsieina be pačios įvairiausios paskirties valdymo mikroschemų, atminties blokų, duomenų perdavimo sąsajų, galingų mikroprocesorių, kurie naudojami visur, pradedant pačia paprasčiausia buitine technika ir baigiant moderniausia medicinine aparatūra, automobiliais, telekomunikacijų tinklais. Sparčiai vystantis šiuolaikiniam pasauliui, duomenų saugojimas, perdavimas dideliais greičiais, apdorojimas tampa vienu svarbiausių šiuolaikinės technikos uždavinių ir didžiausią reikšmę sprendžiant šias problemas įgyja būtent puslaidininkinių prietaisų gamintojai.

Puslaidininkinių modulių ir mikroschemų gamyba yra itin specializuotas procesas. Daugelis mažesnių įmonių gamina vos keliolikos specifikacijų gaminius, kurie naudojami labai siauros paskirties srityse. Tačiau jų įvairovė yra tokia didelė, kad net pačios didžiausios puslaidininkių įmonės, tokios kaip Intel, Motorola, ST, IBM ir kitos, nepajėgios dominuoti visame puslaidininkių kūrimo ir gamybos cikle. Stambiosios įmonės daugiau specializuojasi galingų mikroprocesorių, atminties mikroschemų, interfeisų projektavime ir gamyboje, o mažesnės – siauresnės paskirties įrengimuose.

Puslaidininkių pramonei yra būdingas gana aiškiai išreikštas cikliškumas. Rinkos tyrimų įmonės „Dataquest“ duomenimis, 2000 metais puslaidininkių pramonės augimas sudarė 36,9 proc., o bendri pardavimai siekė 231,6 mlrd. USD. 2001 metais puslaidininkių pramonės pardavimai išaugo dar 27,5 proc. 2002 m. – 13,9 proc. Cikliškumas susidaro dėl pačios paprasčiausios priežasties – didėjančios pasiūlos. Kadangi šis verslas yra itin pelningas ir sparčiai augantis (pardavimų pelningumas siekia iki 40 – 50 proc., metinis apyvartos augimas neretai pranoksta 30 – 80 proc.), natūralu, kad įmonės nuolat didina pajėgumus, auga konkurencija. Anksčiau ar vėliau paklausa viršija pasiūlą, tada krenta kainos, mažinamos gamybos apimtys, pakilimą seka nuosmukis. Žinoma, ši nuosmukių priežastis – ne vienintelė, tačiau viena svarbiausių. Gamybos sumažėjimas gali būti gana ženklus. Per 1997 – 1998 metų nuosmukį, dinaminės atminties (DRAM) gamybos apimtys sumažėjo nuo 45 mlrd. USD 1996 metais iki 20 – 30 mlrd. USD 1997 metais, t.y. beveik du kartus, tačiau planuojama, kad 2003 metais šis sektorius gali pasiekti 100 mlrd. USD bendrus pardavimus.

Taigi puslaidininkinių prietaisų gamyba labai sparčiai vystosi. Ypač didelis vystymosi progresas jaučiamas elektriškai nepriklausomų atminties mikroschemų gamyboje. Ženklus pakilimas prognozuojamas taip vadinamų “flash memory” mikroschemų gamintojams, kurios naudojamos mobiliuose telefonuose, videokamerose ir kitoje buitinėje aparatūroje. Laukiama, kad 2003 metais jų pardavimai sudarys apie 18 proc. nuo visų puslaidininkių sektoriaus pardavimų.[1]

Taip sparčiai vystantis technologijoms, puslaidininkinių atminties mikroschemų asortimentas tapo toks didžiulis, kad tampa gana sunku jame orientuotis. Kiekvienas gaminys pasižymi sau būdingomis savybėmis, savo privalumais ir trūkumais. Būtent čia didžiulį vaidmenį atlieka atminties mikroschemų universalumas, galimybė jas pritaikyti pagal savo norus, galimybes ir poreikį. Jau nebeužtenka vien tik žinoti apie jų savybes; tenka tomis savybėmis manipuliuoti ir jas keisti. Čia į pagalbą ateina taip vadinami nuolatinės atminties programatoriai, kurių dėka atminties mikroschema tampa ne šiaip bevertis gaminys, o intelektualus puslaidininkinis modulis, galintis atlikti daugybę funkcijų. Atliekamų funkcijų gausa, sudėtingumas, atlikimo greitis ir kt. labai stipriai priklauso nuo programuotojo kūrybiškumo, sugebėjimų ir patirties.

Programatorių, kaip ir atminties mikroschemų, pasirinkimo gausa irgi yra stulbinanti. Jie būna skirti tiek vieno tipo mikroschemoms, tiek labai universalūs –
tinkantys plačiam spektrui atminčių. Skiriasi jų veikimo sparta, patikimumas ir žinoma kainos.

Savo baigiamajame darbe aš išanalizavau nuolatinių atminčių bei programatorių tipus, parinkau labiausiai tinkančio programatoriaus schemą, atlikau jos analizę, suprojektavau spausdintinę plokštę, sumontavau veikiantį maketą bei atlikau jo eksperimentinį tyrimą.

2. LITERATŪROS APŽVALGA

2.1 Nuolatinių atminčių tipai, programavimas ir panaudojimas

Atmintis, kurioje informacija išlieka atjungus maitinimą, vadinama elektriškai nepriklausoma nuolatine atmintimi (angl. NVM – Non Volatile Memorie). Elektriškai nepriklausoma atmintis naudojama kompiuteriuose BIOS kodui saugoti, periferinių įrenginių konfigūracijai, daugelyje buitinių bei pramoninių prietaisų ir kt. Galima išskirti keletą energetiškai nepriklausomos atminties tipų:

· ROM (angl. Read Only Memory)

· PROM (angl. Programmable Read Only Memory)

· EPROM (angl. Erasable Programmable Read Only Memory)

· EEPROM (angl. Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

· Flash atmintis (angl. Flash Memory)

· FRAM (angl. Feroelectric Random Access Memory)

ROM atminties mikroschemos šiuo metu praktiškai nenaudojamos, nes neleidžia keisti įrašytą į jas atmintį. Šių mikroschemų programavimas atliekamas jų pagaminimo etape. Norint pakeisti kodą reikėdavo iš naujo projektuoti naują mikroschemą.

PROM rado kur kas didesnę pritaikymo sritį, nes šio tipo mikroschemos beveik nejautrios elektromagnetinių laukų poveikiui. Jos programuojamos tik vieną kartą po pagaminimo su specialiais programatoriais.

Ištrinamos ir daugelį kartų perrašomos EPROM tipo atmintinės (2.1 pav.) iki šiol yra

2.1 pav. EPROM tipo atmintis DIP korpuse

gana populiarios. Jos dažniausiai naudojamos spausdintuvuose, didėlės raiškos televizoriuose, DVD bei vaizdo grotuvuose, žaidimams skirtuose įrenginiuose. Taikant vis pažangesnes mikroschemų gamybos technologijas, pavyko labai stipriai padidinti EPROM atmintinių dydį. Jei pradžioje reikėdavo tenkintis 16-256 Kb dydžio atmintimis, tai dabar jau gaminamos net 64 MB mikroschemos. Padidėjo ne tik jų talpumas, bet ir kreipimosi greitis, sumažėjo suvartojamos elektros energijos kiekis.

Dauguma EPROM atmintinių turi tas pačias savybes kaip ir ROM atmintis. EPROM duomenų linijos surištos naudojant plaukiojančią užtūrą, kurios struktūra pavaizduota 2.2 pav.

2.2 pav. EPROM atmintinėse naudojamo metalo-oksido lauko tranzistoriaus plaukiojančios užtūros schema

EPROM modulis turi dvi užtūras. Vidinę, arba plaukiojančią užtūrą, iš visų pusių padengtą oksido sluoksniu. Ši konstrukcija izoliuoja vidinį elektrodą ir praktiškai panaikina bet kokius nuotėkių takelius, kurie priešingu atveju sujungtų užtūrą su išore. Be to plaukiojanti užtūra turi sekciją, kuri yra labai arti substrato, atskirto labai plonu oksido sluoksniu. Išorinė užtūra yra prijungta per terminalą ir funkcionuoja panašiai kaip ir paprastas metalo-oksido lauko tranzistorius. Įtampos panaudojimas tarp išorinės užtūros ir šaltinio sukurto elektrinio lauko, kuri jungiama kaip talpa per vidinę užtūrą su substrato paviršiumi, įtakoja lauko tranzistoriaus nuotėkio į šaltinį voltamperines charakteristikas. Daugumoje EPROM atminčių, kiekvienoje ląstelėje yra plaukiojančios užtūros tranzistorius. Jei plaukiojanti užtūra yra neįkrautą, MOP tranzistorius yra laidus energijai ir ląstelę galima laikyti loginiu 0. MOP tranzistoriaus plaukiojanti užtūra gali būti padaryta nelaidi, tačiau tai priverčia užtūros elektrodą įsikrauti neigiamai. Tai daroma įrašymo metu (2.3 pav.) įžeminant šaltinį.

2.3 pav. EPROM atminties įrašymo procesas

Programavimo įtampos Vgs (25 – 28 V) ir Vds (16 – 20 V) priverčia tekėti elektronus link plaukiojančios užtūros, tuo pačiu didinant slenkstinę MOP tranzistoriaus įtampą. Susidaro laidus kanalas tarp šaltinio ir nuotėkio sluoksnio. Elektronai, tekantis žemiau plono oksido sluoksnio, po plaukiojančia užtūra, įgauna didelį greitį ir bombarduoja sritį nuo plaukiojančios užtūros iki substrato. Tai sąlygoja daugiau energijos turinčius elektronus migruoti per oksido sluoksnį į plaukiojančią užtūrą. Šis procesas yra savaime reguliuojamas, kadangi bet kokia neigiama įtampa ant plaukiojančios užtūros sumažina substrato laidžią sritį. Kai programavimo įtampa yra pašalinama, krūvis esantis plaukiojančioje užtūroje išlieka. Kadangi šis krūvis yra neigiamas, tai sumažina bet kokios įtampos Vgs įtaką išorinei užtūrai ir kartu padidina atminties efektyvią slenkstinę įtampą. Atminties elementas sukonstruotas taip, kad slenkstinė įtampa viršija 5 V, kai plaukiojanti užtūra praleidžia krūvį. Esant tokiom sąlygom sistema bus nelaidi tol, kol jos užtūra turi energijos. Atminties elemente atsiras loginis 1.

Krūvis, sukauptas EPROM atminties plaukiojančioje užtūroje gali išlikti labai ilgą laiką. Apytikriai skaičiavimai rodo, kad EPROM atminties ląstelė gali išsaugoti duomenys 10 – 100 metų laikotarpyje. Krūvis gali būti pašalintas nuo plaukiojančios užtūros apšvietus ją atitinkamo bangos ilgio ultravioleto šviesa. Nominalus šviesos šaltinio bangos ilgis turi būti 254 nm bei turėti didelę energiją (atliekant ši
būtinai turi būti naudojama akių apsauga!). Veikiant silicio dioksidą ultravioletine šviesa, laisvos plaukiojančios užtūros elektronų bei skylių poros įgaus pakankamai kinetinės energijos, kad įveikti dioksido elektrinį barjerą. Kad apsaugoti oksidą nuo nepageidaujamos šviesos (saulės ar kt.) poveikio, oksido sluoksnis yra apsaugojamas. Daugelyje atvejų yra naudojami vienas arba keli pasyvinimo sluoksniai, turintys savyje nitrido, kuris efektyviai apsaugo nuo nepageidaujamų ultravioletinių spindulių. Pats oksido sluoksnis taip pat absorbuoja dalį šviesos, todėl ultravioleto šviesos laidumo didinimo efektyvumas nėra labai žymus. Būtent dėl to EPROM atminčių ištrynimas trunka nuo kelių minučių iki valandos. Įrašytą informaciją galima ištrinti per specialų langelį mikroschemoje. Kai kurios mikroschemos neturi lango; informacija ištrinama panaudojant rentgeno spindulius. Spinduliavimo metu visa informacija ištrinama vienu metu per keletą minučių. Po ištrynimo EPROM atmintis gali būti pakartotinai perprogramuota įrašant į ją naujus duomenys. Deja įrašymo arba ištrynimo procesas atima daug laiko. Kitaip nei PROM atmintys, kurios programuojamos tik vieną kartą, EPROM mikroschemas galima programuoti daug kartų su specialiu programatoriumi, prijungtu prie kompiuterio COM arba LPT sąsajos.[2]

Ten, kur reikalingas reguliarus duomenų ištrynimas ir perprogramavimas, didesnio lankstumo suteikia elektriškai ištrinama bei perprogramuojama atmintis, kuri vadinama EEPROM. Šio tipo atmintys naudojamos (2.4 pav.) automobiliuose (stabdžių blokavimo ir variklio sekimo sistemos, oro pagalvės), telekomunikacijų įrangoje (telefonai, faksai, modemai), buitinėje vaizdo technikoje (televizoriai, vaizdo kameros, mp3 grotuvai),

2.4 pav. EEPROM atminties mikroschemų panaudojimas

specializuotuose pramonės įrenginiuose (variklių valdikliai, matavimo įrenginiai), kompiuteriuose (CD grotuvai, motininės plokštės ir kt.).

Panašiai kaip ir dauguma EPROM, EEPROM atmintis kiekvienoje ląstelėje turi plaukiojančią MOP tranzistoriaus užtūrą (2.5 pav.). 2.5 pav. EEPROM atminties ląstelė: a) struktūra, b) mikroskopinė nuotrauka

Šiuo atveju plaukiojanti užtūra yra įkraunama naudojant didesnį potencialą tarp įžeminto šaltinio ir užtūros su nuotėkiu. Tai tunelinis efektas, kuris priverčia elektronus tekėti per oksido sluoksnį, tokiu būdu įkraunant plaukiojančią užtūrą bei padidinant įtaiso slenkstinę įtampą (ląstelėje atsiranda loginis 1). Tunelinis efektas pasireiškia esant plonam dielektriko sluoksniui. Šis efektas taip pat naudojamas esant storesniam dielektriko sluoksniui, atitinkamai padidinus įtampą skersai jo. Didžiausia šio efekto panaudojimo problema yra ta, kad daugelyje naudojamų dielektrikų silicio storis yra skirtingas. Todėl didžiausia srovės dalis prateka ploniausiais sluoksniais, o tai gali iššaukti silicio deimantines gardelės pakitimus. Toks ilgalaikis poveikis sukelia dioksido sluoksnio nusidėvėjimą. Būtent tai riboja EEPROM atminčių perprogramavimų skaičių. Tunelinis efektas yra pakankamai greitas. Programavimas (2.6 pav.) paprastai trunka nuo kelių sekundžių iki minutės..

2.6 pav. EEPROM atminties įrašymas

Silicio dioksido plaukiojanti užtūra turi 3.2 eV energetinį barjerą. Pastarojo storis proporcingas dioksido sluoksnio storiui ir nusako elektrinio lauko stiprumą, reikalingą elektronams, kad įveikti šį potencialinį barjerą.

Plaukiojanti užtūra iškraunama naudojant didelę teigiamą įtampą (2.7 pav.).

2.7 pav. EEPROM atminties ištrynimas

Ji priverčia elektronus tekėti nuo įkrautos užtūros link substrato, tokiu būdu atstatant plaukiojančios užtūros pradinę, neįkrautą būseną. Fizikinė EEPROM tranzistoriaus geometrija šiek tiek skiriasi nuo MOP tranzistoriaus, skirto EPROM atminties ląstelėms. Pirmu atveju yra naudojama gana didelė paviršinė sritis ir tokiu būdu negalimas toks pat didelis atminties tankis, kaip antru atveju. Taigi EEPROM atmintis pralenkia EPROM greičiu, tačiau atsilieka talpumu.[4]

Šiuo metu labiausiai paplitusi yra Flash atmintis, kuri pasižymi tiek dideliu tankiu, tiek dideliu greičiu (2.8 pav.). Šiuo metu Flash atminties mikroschemos praktiškai išleidžia visos

2.8 puslaidininkinės atminties pasiskirstymas

firmos, kurios gamina atminties mikroschemas. Flash atminties struktūra yra labai panaši į EEPROM atmintį (2.9 pav.).

2.9 pav. Flash atminties ląstelės struktūra

Pagrindiniai pranašumai prieš EEPROM – trumpas kreipimosi ir informacijos ištrynimo laikas. Šis laikas priklauso nuo plaukiojančios užtūros ilgio bei slenkstinės įtampos dydžio ir kinta eksponentiniu dėsniu (2.10 pav.).

2.10 pav. Flash atminties programavimo ir ištrynimo trukmės priklausomybė nuo užtūros ilgio (a) ir slenkstinės įtampos dydžio (b)

Flash atmintis plačiai naudojamos netik kompiuteryje, bet ir mobiliuose telefonuose, tinklinėje įrangoje, spausdintuvuose, faksuose ir t.t. Nežiūrint į nesibaigiančias galimybes tobulinant Flash atmintį daugelis analitikų skaito, kad prietaisų rinkoje ją išstumti naujo tipo atmintinis – feroelektrinė atmintis ( FRAM).

Pirmosios FRAM mikroschemos buvo pagamintos korporacijoje Ramtron jau 1984 m. Gamybos licenzija šioms mikroschemos įsigijo tokie dideli atmintinių gamintojai kaip Hitachi, Toshiba, Fujitsu,
Samsung.Skirtingai nuo tradicinės technologijos, šių atminties elementų gamybai FRAM buvo naudojama segnetoelektrinė plėvelė, paremta oksidų – metalų lydiniu (titanas, cirkonis, švinas ir t.t.). Feroelektrinėje atmintinėje su atsitiktiniu priėjimu informacija išsisaugo netgi tada, kai atjungiamas įtampos šaltinis. FRAM turi pranašumus prieš DRAM (galimybė daug kartų perrašinėti) ir SRAM (didelis greitis) bei prieš ROM atmintį (energetiškai nepriklausoma). Atsižvelgiant į tai galiam pagaminti idealų atminties saugojimo įrenginį – greitą, ilgai išsisaugančią atmintį.1998 lapkritį Samsung pranešė apie bandomąją mikroschemų FRAM partiją su 64 kB talpa. Pradėti gaminti feroelektrinę atmintį yra pasiruošusios tokios kompanijos kaip Siemens AG, Hyundai, Motorola ir NEC. Specialistai mano, kad mikroschemos FRAM su talpa nuo 1MB ir daugiau pateks jau 1999 metais ir palaipsniui išstums Flash, SRAM ir EEPROM atmintines. [5]

Taigi išnagrinėjome skirtingų nuolatinių atminčių struktūrą, privalumus ir trūkumus. Apibendrinant palyginsime visas minėtas atmintis (2.1 lentelė).

2.1 lentelė

Skirtingų atminčių palyginimas

Flash atmintis FRAM EEPROM EPROM ROM

Duomenų saugojimas galimas galimas galimas galimas galimas

Perrašymas galimas galimas galimas galimas –

Perrašymo būdas Elektriškai įrašoma + Elektriškai ištrinama Elektriškai perrašoma Elektriškai perrašoma + elektriškai ištrinama Ištrinama ultravioletu + Elektriškai įrašoma –

Įrašymo greitis geras puikus patenkinamas patenkinamas –

Skaitymo greitis geras geras patenkinamas patenkinamas patenkinamas

Universalus panaudojimas puikus patenkinamas blogas patenkinamas puikus

Kaip matome iš lentelės, skirtingos atmintys pasižymi savo privalumais ir trukumais. Todėl vartotojas turi pats rinktis, kas jam yra svarbiau: perrašymo galimybė, programavimo greitis, skaitymo greitis, universalus panaudojimas ar pagaliau kaina. Tik atsižvelgę į šiuos dalykus ir juos suderinę pagal savo poreikį bei galimybes mes gausime optimaliausią naudoti atminties tipą.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2470 žodžiai iš 8111 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.