Энергонезависимая память.
EPROM, EEPROM, FLASH, NVRAM и др.
Классификация, терминология, аббревиатуры.
 

Введение

      Эта статья содержит краткое описание популярных семейств микросхем энергонезависимой памяти, т.е. памяти, способной хранить информацию в отсутствие электропитания. Довольно часто, в качестве обобщенного названия этого класса микросхем используют аббревиатуру "ПЗУ" - Постоянное Запоминающее Устройство (по англ. ROM - Read Only Memory - память только для чтения). Следует заметить, что это не совсем корректно. Первые, наиболее старые представители энергонезависимой памяти, действительно использовались в аппаратуре только в режиме чтения, а их запись (программирование) осуществлялась либо в процессе изготовления кристалла, либо перед установкой в аппаратуру с помощью довольно сложного прибора - программатора. В дальнейшем, по мере совершенствования технологии производства и упрощения методов и алгоритмов записи, их современные модификации все чаще стали использовать в приборах и устройствах в режимах записи, стирания и перезаписи. Например, в модулях фискальной памяти кассовых аппаратов, в них заносится итоговая информация о дневной выручке и количестве покупок. В телевизорах ПЗУ используют для хранения различных настроек, а в телефонных аппаратах - для хранения и быстрого набора часто используемых телефонных номеров (записная книжка). Все эти применения противоречат самому смыслу понятия "память только для чтения". Попытки устранить это противоречие привели к обрастанию аббревиатуры "ПЗУ" уточняющими приставками: ППЗУ - программируемые ПЗУ, СППЗУ - стираемые ППЗУ, РПЗУ - репрограммируемые ПЗУ (PROM - Programmable ROM, EPROM - Erasable PROM, EEPROM - Electrically Erasable PROM) и т.д. Однако, наиболее точным обобщающим названием этого класса приборов является "энергонезависимая память". Этого понятия, применяя сокращение ЭП, мы и будем придерживаться в данной статье.

MaskROM - Масочные ПЗУ

      Это наиболее старое семейство микросхем ЭП. Информация в такую память заноситься в процессе изготовления кристалла и в дальнейшем не может изменяться. Многолетняя популярность MaskROM обуславливалась низкой ценой при крупносерийном производстве. В настоящее время, в связи с резким снижением цен на программируемую и перепрограммируемую память, применяются редко. Наиболее распространенные микросхемы этого семейства - серия 23xxx.

PROM - Программируемые ПЗУ

      Первыми программируемыми ПЗУ, пришедшими на смену MaskROM, стали микросхемы памяти на базе плавких перемычек (например, распространенные десять лет назад отечественные серии К556 и К1556). Возможность самостоятельной записи информации в них делало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. Наиболее существенными недостатками были большой процент брака и необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой. В настоящее время, также почти не применяются.

EPROM

      Различные источники по разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - Erasable Programmable ROM или Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). Обычно, так называют популярные микросхемы серии 27xxx (отечественный аналог - серия К573).
      Основу этой серии составляют ПЗУ, стираемые ультрафиолетовым излучением. Корпуса таких микросхем имеют окно из кварцевого стекла. Данные хранятся в виде зарядов плавающих затворов МОП-транзисторов, упрощенно говоря, представляющих собой конденсаторы с очень низкой утечкой заряда.
      Многие производители памяти выпускают серию 27xxx также в исполнении "OTP" - One Time Programmable - однократно программируемые (те же кристаллы, но в дешевом пластиковом корпусе без кварцевого окна).
      В последнее время получили широкое распространение электрически стираемые модификации EPROM производства фирм Winbond и SST, также выпускаемые в пластиковых корпусах.

Flash и EEPROM

      Главной отличительной особенностью Flash (FlashROM, Flash-memory, Flash-память) и EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM - электрически стираемые ППЗУ) от других микросхем ЭП является возможность их перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. Для Flash перед записью требуется выполнить стирание (полное или поблочное), а для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальных.
      Существуют микросхемы Flash-памяти с автоматическим постраничным автостиранием и очень мелкой разбивкой на страницы, что приближает их по возможностям к EEPROM.
      Широко применяются также Flash и EEPROM с доступом к информации по последовательному каналу (Serial Flash, Serial Data Flash, Serial EEPROM или SEEPROM). В этом случае, адреса, данные и управляющие команды передаются последовательно побитно по одному проводу и синхронизируются импульсами на тактовом входе. При этом используются различные последовательные шины (2-х, 3-х и 4-х проводные), как стандартные, так и нестандартные, чаще всего I2C, Microwire, SPI и др. Преимущество последовательных микросхем в малых габаритах и минимальном количестве линий ввода-вывода, необходимых для их подключения к микропроцессору или микроконтроллеру, хотя скорость обращения к ним значительно ниже. Подавляющее большинство последовательных EEPROM выполнены в 8-выводных корпусах.
      Самые распространенные серии Flash - 28Fxxx, 29F/C/EExxx, 39SFxxx (параллельные), 45Dxxx (последовательные), EEPROM - 28Cxxx (параллельные), 24Cxxx, 93Cxxx, 25Cxxx (последовательные).

Non-volatile RAM (NVRAM), FRAM

      Понятие "Энергонезависимое ОЗУ" (Non-volatile RAM или NVRAM) включает в себя несколько подсемейств памяти. Все они отличаются от других видов ЭП моментальной записью. Поэтому, вместо термина "программирование", по отношению к этим микросхемам обычно применяют термин "запись".
      Первая разновидность NVRAM представляет собой обычные статические ОЗУ со встроенным элементом питания (чаще всего литиевым) и усиленной защитой от искажения информации в момент включения и выключения питания. Важным преимуществом этих микросхем является неограниченное количество циклов перезаписи (для EPROM, Flash и EEPROM оно обычно составляет от одной тысячи до 100 миллионов). Мировым лидером производства такой памяти является фирма Dallas Semiconductor.
      Другой разновидностью NVRAM являются микросхемы, содержащие на одном кристалле энергозависимое ОЗУ (RAM) и резервную EEPROM-память, с возможностью сохранения (копирования) содержимого ОЗУ в EEPROM и обратного восстановления данных из EEPROM в ОЗУ. Многие из этих микросхем имеют функцию автоматического восстановления данных из EEPROM в ОЗУ при включении питания. Подразделяются на последовательные и параллельные.
      Новое поколение NVRAM, при изготовлении которых используются самые современные технологии с применением материалов - ферроэлектриков (FRAM), не требуют для хранения информации никакого элемента питания, сохраняя все остальные свойства обычных ОЗУ. Часто выпускаются в виде микросхем, полностью совместимых по расположению выводов, алгоритмам и протоколам, и даже совпадающие по маркировке с последовательными и параллельными EEPROM. Примером может служить серия 24Cxx фирмы Ramtron. Количество циклов перезаписи для FRAM обычно составляет 10 миллиардов.

Внутренняя память микроконтроллеров

      Большинство современных микроконтроллеров имеют встроенную энергонезависимую память программ (MaskROM, OTP EPROM, Flash или EEPROM), а многие - также дополнительную память данных (EEPROM или Flash). Все вышеописанные свойства этих видов ЭП относится и к встроенной памяти микроконтроллеров.
      Фирма Atmel использует для своих программируемых в процессе производства и однократно программируемых пользователем микроконтроллеров термин QuickFlash. По своим свойствам такая память полностью соответствует MaskROM или OTP EPROM.
      Понятие FlexROM используется фирмой Microchip для обозначения программируемых в процессе изготовления PIC-контроллеров. Аналогично MaskROM.