Энергонезависимая память для телевизоров седьмого поколения

В магистрали I2C передача информации начинается с режима "Старт", а заканчивается режимам "Стоп". Эти условия формируется ведущим устройством и их вид представлен диаграммой на рисунке 2.3.3. Режим "Старт" возникает при переходе уровня на линии SDA из состояния 1 в 0 при уровне 1 на линии SLC. Притом же уровне 1 на линии SLC во время перехода на линии SDA уровня из состояния 0 в1 формируется режим "Стоп".После режима "Старт" магистраль считается занятой и освобождается только после режима "Стоп".

Информация передается по шине I2C в виде последовательных байтов, состоящих из восьми битов, при этом первый передается старший бит. На рисунке 2.3.3 видно, что каждому тактовому импульсу из1-8 на линии SLC соответствует передаваемый бит (1 или 0) на линии SDA. В конце каждого байта информации следует сигнал подтверждения, формируемый на линии SLC приемником. Тактовый импульс подтверждения приема генерируется ведущим устройством (импульс 9 на рисунке 2.3.3). Кроме того, она переводит линию SDA в состояние 1 ("отпускает"). При приеме байта информации приемник во время прохождения тактового импульса подтверждения приема должен перевести линию SDA в состояние 0, причем оно действует в течении всего тактового импульса подтверждения. Если приемник, к которому происходит обращение не может принять информацию, линия SDA в момент тактового импульса подтверждения остается в состоянии 1. В этом случае ведущее устройство переходит в режим "Стоп" и прекращает передачу информации. Следовательно, приемник может прервать передачу после любого переданного байта. Кроме того, если приемник не может принять очередной байт, он на некоторое время задерживает передачу информации, переводя линию SCL на уровень 0. Это же происходит и в случае приема каждого бита.

Формат передачи информации по шине показан на рисунке 2.3.4. После формирования режима "Старт" ведущее устройство передает восьмибитную последовательность, состоящую из семибитного адреса приемника, к которому идет обращение, и восьмого бита, определяющего направление передачи информации. После того, как последовательно на шину I2C ведущее устройство подаст сигналы адреса приемника, МС сравнивают семь бит адреса. Если они совпадают для какой-нибудь микросхемы, то она анализирует восьмой бит, чтобы определить направление передачи. Когда этот бит имеет значение 0, ведущее устройство будет передавать информацию приемнику. В случае если бит имеет значение 1, ведущее устройство запросит информацию от приемника.

После того как приемник сформирует сигнал подтверждения адреса (девятый бит), ведущее устройство начинает передавать восьмибитные последовательности информации. Прием каждой последовательности также подтверждается приемником. Передача информации заканчивается формированием режима "Стоп".

Шина I2C позволяет подключать МС, изготовленные по разным технологиям. При работе с напряжениям питания 5 В уровень 0 должен быть не более 1,5 В, уровень 1 - не менее 3 В. Минимальная длительность уровня 0 тактового импульса равна 4,7 мкс, а минимальная длительность уровня 1 тактового импульса равна 4 мкс. Пример использования шины I2C в условном телевизоре цветного изображения показан на рисунке 2.3.5.

3. ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ

3.1 Описание назначения основных блоков

Согласно техническому заданию на дипломное проектирование необходимо разработать электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство для телевизоров седьмого поколения. Объемом памяти ЗУ составляет 16К, где К=1024 бит. Структурная схема этого объекта представлена на рисунке 3.1.

На данной схеме показаны, какие блоки входят в ЭСППЗУ. Это входной фильтр, блок логики управления I2C шиной, регистр режимов, компаратор адреса, сдвиговый регистр, указатель адреса, блок задания временной последовательности, генератор высокого напряжения. А также декодер столбцов и декодер строк, страничный регистр и накопитель (8х256х8), генератор и делитель частоты, блок установки по питанию и внутренняя шина.

Рассмотрим назначение всех этих блоков. Входной фильтр предназначен для коррекции амплитуды и длительности импульсов, поступающих от формирователя команд управления. Коррекция амплитуды и длительности импульсов необходимо для того, чтобы согласовать входные уровни I2C интерфейса с параметрами КМОП-структуры микросхемы.

Регистр режимов предназначен исключительно для тестирования, то есть он необходим только на стадии разработки. Он позволяет проверять внутрикристальное программирование микросхемы, исключая воздействие на накопитель генератора высокого напряжения. Воздействие высокого напряжения на накопитель “расшатывает” пороговые напряжения, которые позволяют стирать записывать информацию.

Блок установки по питанию предназначен для того, чтобы он устанавливал все остальные блоки - сдвиговый регистр, указатель адреса, блок задания временной последовательности и генератора в исходное состояние. Блок установки по питанию сам получает сигнал, когда телевизор переходит из дежурного режима в рабочий.

Блок указателя адреса предназначен для выборки последовательности цифровых импульсов, которая следует на декодер столбцов и строк. Также в блоке указателя адреса существует механизм, который вырабатывает импульс предназначенный для автоматического приращения номера адреса. Этот механизм работает в течение 32 байтов и обнуляется в конце его.

Так как программирование микросхемы может осуществляться только под внутрикристальным управлением, то в микросхеме в блоке компаратора адреса “зашит” адрес МС. Другими словами, когда по I2C шине начиная с процедуры “Старт” передается цифровая последовательность, в которой указывается адрес микросхемы, к которой обращается микроконтроллер или другое головное устройство. Этот адрес называется служебным. Из этого следует, что в блоке компаратора адреса сравниваются служебный адрес МС и адрес, находящийся в цифровой последовательности. Если результат сравнения оказывается положительным, то осуществляется передача данных (считывание, запись, стирание) из МС или в МС.

Сдвиговый регистр предназначен для преобразования последовательной цифровой последовательности в параллельную. Это необходимо преже всего потому, что внутри самой микросхемы существует внутренняя шина. Она представляет собой совокупность параллельных проводников, которые подходят к каждому из блоков. Таким образом можно сказать, что в каждом блоке находятся преобразователи такого рода.

Как отмечалось выше программирование ЭСППЗУ осуществляется только под внутрикристальным программированием. Это подоазумевает наличие внутреннего задающего генератора. Генератор вырабатывает высокостабильную цифровую последовательность импульсов. Период повторения импульсов состовляет порядка 1..2 мкс. Для внутрикристального программирования период повторения импульсов должен составлять 7..8 мкс. Для целей увеличения периода повторения используется делитель частоты, который уменьшает значение частоты. Использование генератора и делителя частоты обусловлено оптимальным сочетанием площади, занимаемое генераторам и делителем. Это технологическре решение упрощает размещение блоков в самой микросхеме.

Генератор высокого напряжения предназначен для выработки высокого напряжения (около 30 В), которое необходимо для подачи в накопитель для реализации режима стирание/запись.

Декодер строк и столбцов предназначен для выработки номера необходимого строки и столбца, к которым происходит обращение.

Накопитель предназначен для долговременного неразрушаемого хранения информации. Накопитель представляет собой совокупность двух блоков. Каждый их этих блоков делится на 4 и т.д. Такое деление обусловлено тем, что происходит уменьшение времени обращения к ячейке памяти, что в результате приводит к увеличению быстродействия.

Как известно, объем накопителя составляет 16К, где К=1024 бит, что является достаточно большим объемом, то соответственно и занимает большую площадь в микросхеме. Из этого следует, что с точки зрения технологии площадь элементарного запоминающего элемента должна быть как можно меньшей. При этом надо учитывать, что к элементарной ячейке необходимо подвести адресную шину, что в свою очередь увеличивает площадь накопителя. В таком случае идут на объединение нескольких элементарных ячеек в одну группу ( например. четыре ячейки - в одну, восемь - в одну). Так как в МС организована побайтовая передача информации, то объединяют восемь ячеек в одну. И к этой группе подводят одну адресную шину. Такое решение уменьшает площадь накопителя, но все же она остается самой большой.

Страничный регистр предназначен для предварительной информации, которая может быть записана в накопитель либо может служить для считывания данных из него. Как видно из представленной структурной схемы страничный регистр находится в непосредственной близости от накопителя .Это опять таки увеличивает быстродействие микросхемы. Также этот блок предназначен для постраничного доступа к накопителю, что уменьшает время обращения к нему. Постраничный режим используется как на этапе тестирования, так и во время эксплуатации.

Блок задания временной последовательности предназначен для выработки цифровой последовательности, которая поступает в различные блоки, на основании внутрикристальной программы.

3.2 Описание взаимодействия основных блоков структурной схемы

Электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство работает во взаимодействии с I2C шиной. Рассмотрим режимы и протоколы, при которых ЭСППЗУ функционирует.

ЭСППЗУ, как отмечалось выше, предназначено для хранения, записи и считывания информации. Для хранения информации в ЗУ существует специальный вид транзисторов, основанных на так называемых МНОП-стрктурах. Для записи и считывания информации существуют режимы или протоколы, которые задаются процессором управления или микроконтролером. Эти протоколы задают в каком из режимов будет функционировать ЭСППЗУ. Протоколы представляют собой цифровую последовательность, которая передается по шине управления I2C. Приведем протокол в режиме "Чтения" с вводом адреса слова (таблица 3.2), сокращенный протокол в режиме "Чтения" (таблица3.3), протокол в режиме "Стирание/Запись" двух байтов (таблица 3.4) и протокол в режиме "Стирание/Запись" страницы (таблица 3.5). Также приведем таблицу 3.1, в которой раскрываются обозначения слов приведенных в протоколах.

Таблица 3.2

Таблица3.3

Таблица3.4

Таблица3.5

Из протоколов очевидно, что каждая передача данных начинается с условия "Старт" и завершается условием "Стоп". Информация передается в байтоорганизованной форме. Число байтов информации, передаваемых между условиями "Старт" и "Стоп" ограничено в режиме "Стирание/Запись" и неограниченно в режиме "Чтение". Каждое слово из восьми бит (каждый байт) сопровождается проверочным девятым битом, битом подтверждения. Семь из восьми бит информации является адресом ЭСППЗУ, восьмой бит определяет направление передачи информации.

Особенностью протоколов в режиме "Чтения" является изменение направления передачи информации по линии SDA: до окончания управляющего слова CS/RD микросхема принимает информацию, а после него происходит передача (считывание) данных. Один раз задав протокол можно последовательно считать неограниченное число байтов данных. После каждого байта внутрикристальный счетчик адреса автоматически приращивается на "единицу" пополучению подтверждения от "главного приемника" (Am=0). Сразу после отрицательного фронта тактового импульса подтверждения ( в случае As или Am=0) выход МС является низкоомным и на линии SDA устанавливается первый бит считываемого байта информации. В случае передачи информации микросхемой последнего байта ведущее устройство должно выдать не сигнал, подтверждающий прием, а передать ведомому устройству информацию об окончании приема (Am=0). В этом случае после отрицательного фронта тактового импульса подтверждения выход МС переводится в состояние с высоким выходным сопротивлением (закрывается), на линии SDA устанавливается высокий уровень, разрешающий ведущему устройству выработать условие "Стоп".

Как видно из функциональной схемы ЭСППЗУ перед тем , как цифровая последовательность поступит в блок логики управления I2C шиной, она проходит коррекцию амплитуды и длительности составляющих ее импульсов. После того, как ведущее устройство сформировала условие "Стоп" начинается внутренний цикл программирования, посредством которого информация записывается, считывается либо стирается. Рассмотрим, что же происходит.

Блок логики управления I2C шиной отслеживает поступаемый адрес в цифровой последовательности, а компаратор адреса сравнивает приходящий адрес с адресом "зашитым" в ЭСППЗУ. Далее, так как внутри ЭСППЗУ существует внутренняя параллельная шина, то необходимо последовательную цифровую последовательность перевести в параллельную. Для этих целей служит сдвиговый регистр. Указатель адреса показывает через декодер строк к какой строке накопителя и напрямую к строке страничного регистра идет обращения при стирании, записи или считывании. Также указатель адреса показывает декодеру столбцов к какой ячейке идет обращение. Блок задания временной последовательности координирует работу при обращении к накопителю, то есть при стирании или записи новой информации он дает "разрешение" на включение генератора высокого напряжения. При считывании информации из накопителя генератор высокого напряжения должен быть выключен.

Необходимо различать два основных режима записи: побайтовая запись и страничная запись. В первом случае, после принятия адреса слова микросхема выдает подтверждение, принимает последующие восемь бит данных и снова выдает подтверждение. При этом адрес слова автоматически приращивается. После этого ведущее устройство может тотчас же прервать передачу посредством формирования условия "Стоп". После формирования условия "Стоп" стартует активный процесс перепрограммирования и последовательная шина свободна для другой передачи. Если ЭСППЗУ адресуется через I2C шину во время программирования, то она не выдает бит подтверждения.

Страничный режим записи инициируется таким же образом, как и операция записи байта. Только во время одной передачи ведущее устройство передает 32 байта данных. После приема каждого байта пять младших разрядов адреса слова внутренне приращивается. Пять старших разрядов адреса слова остаются неизменными. ЭСППЗУ подтверждает прием каждого байта данных формированием бита подтверждения. Передача по шине прерывается ведущим устройством посредством формирования условия "Стоп" после тридцать второго байта данных. Если ведущее устройство передает более тридцати двух байтов прежде чем выработать условие "Стоп", то подтверждение на последующие байты данных не дается, вся передача игнорируется и программирование не осуществляется.

4. ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ЗАПОМИНАЮЩЕМУ УСТРОЙСТВУ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ПРИЕМНИКА

Согласно техническому заданию на дипломное проектирование необходимо разрабатывать ЭСППЗУ со следующими электрическими параметрами:

Емкость накопителя - 16К (2Кх8) бит, где К=1024 бит.

Напряжение питания UCC=2,7 - 5,5 В.

Длительность цикла стирание/ запись не более 10 мс.

Число циклов стирание/запись 1000000.

Тактовая частота 300 кГц.

Входное напряжение низкого уровня на входе SCL, UIL=-0,8 0,3 В.

Входное напряжение высокого уровня на входе SCL, UIH=0,7UCC 6,5 В.

8. Входное напряжение низкого уровня на входе/выходе SDA, UIL=-0,8 0,3 В.

9. Входное напряжение высокого на входе/выходе SDA, UIH=0,7UCC 6,5 В.

Обоснуем выбор данных электрических параметров.

Согласно ГОСТу 24459-80 [13], который распространяется, на интегральные МС ЗУ и элементов ЗУ: ОЗУ, АЗУ, ЗУ на ПЗС и цилиндрических магнитных доменах; постоянные ЗУ, программируемые маской, ПЗУ с однократным электрическим программированием; ПЗУ с многократным электрическим программированием, и устанавливает допускаемые сочетания значений основных параметров ЗУ - число информационных слов, число разрядов в информационном слове, время выборки, потребляемую мощность.

В пункте 3 данного ГОСТа говориться, что допускаемые сочетания значений числа информационных слов и числа разрядов в информационном таблицы слове для ПЗУ, ПЗУ с однократным электрическим программированием и ПЗУ с многократным электрическим программированием должны соответствовать таблице 2 ГОСТа 24459-80. Мы не будем приводить всей таблицы, а лишь воспользуемся некоторыми цифрами: 8 - число разрядов в информационном слове и 16К - число информационных слов, где К=1024 бит. Эти данные свидетельствуют, что емкость накопителя может быть реализована с помощью 8 разрядов в информационном слове в объеме 16К, где К=1024 бит.

Согласно пункту 6 ГОСТа 24459-80 допускаемые сочетания значений времени выборки ПЗУ с многократным электрическим программированием на основе МНОП структур выбирается из диапазона из 40 до 4000 нс. Длительность цикла стирание/запись зависит от времени выборки и может быть менее 10 нс. Это значение является верхним пределом и выбор меньшего значения будет уже зависит не только от времени выборки, но и от других причин.

Согласно ГОСТу 17230-71 [14] распространяющегося на интегральные микросхемы, номинальное напряжение питания для последних может быть выбрано из ряда значений. Приведем несколько номиналов из этого ряда: 2,7; 3,0; 3,5; 4,5; 4,8; 5,2; 5,5 В. Одно из значений этого ряда будет выбрано в соответствии с необходимым напряжением питания.

Следующий параметр - число циклов стирание/запись. Этот параметр зависит от двух факторов. В первую очередь он зависит от изменения пороговых напряжений в ячейке памяти, вследствие чего происходит утечка заряда из области формирования заряда. В результате этого область формирования заряда разрушается, и информация исчезает. Второй фактор - это разброс температур, то есть вышеперечисленные операции происходят быстрее.

Страницы: 1, 2, 3