Chương 5: Chức năng của ROM ROM chủ yếu được dùng để lưu trữ các thông tin trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống. Phần lớn ROM được dùng để lưu trữ chương trình trong máy tính. Vì ROM không làm mất dữ liệu ngay cả khi bò mất điện cho nên chương trình đã nạp vào ROM được bảo toàn. Khi máy tính được cấp điện, nó sẽ lập tức thi hành chương trình trong ROM. Sơ đồ ROM có dung lượng 16 X 8 bits. Ngõ ra dữ liệu của hầu hết các ROM là các ngõ ra 3 trạng thái nhằm cho phép sự kết nối nhiều ROM đến cùng một bus dữ liệu trong trường hợp có sự mở rộng bộ nhớ. Ngõ vào điều khiển CS\ (Chip Select) đôi khi được gọi là: OE\ (Output Enable) hoặc CE\ (Chip Enable) để cho phép hoặc ngăn cấm các ngõ ra. Khi cần đọc dữ liệutừ ROM, chúng ta cần làm hai điều : đặt một đòa chỉ thích hợp tại các ngõ vào trên bus đòa chỉ, sau đó tác động đến ngõ vào cho phép CS\ để cho phép dữ liệu trong ROM xuât ra ngoài. a/ Cấu trúc của ROM 16 X 8 bits: Cấu trúc bên trong của ROM thì rất phức tạp, và ta cũng không cần thiết phải biết sự chi tiết bên trong. Nhìn chung ROM có cấu trúc gồm 4 phần chính sau: Giải mã hàng (Row-decode). Giải mã cột (Column-decode). Mảng thanh ghi (Register- array). Đệm ngõ ra (Output-buffers). Register-array: Mảng thanh ghi còn gọi là ma trận thanh ghi để lưu trữ dữ liệu đã lập trình trong ROM. Mỗi thanh ghi chứa một số các ô nhớ tương đương với độ dài từ dữ liệu. Trong sơ đồ trên, mỗi thanh ghi chứa 8 bits dữ liệu. Chúng được sắp xếp trong một ma trận vuông, đây cũng là dạng chung cho nhiều chip nhớ bán dẫn khác. Ngõ ra của từ dữ liệu 8 bits được kết nối với bus dữ liệu bên trong. Mỗi thanh ghi có 2 ngõ vào cho phép (E), khi cả hai ngõ vào này cùng lên mức 1 thì sẽ cho phép dữ liệu trong thanh ghi được gởi ra bus dữ liệu. Address-decoders: Mã đòa chỉ A 3 , A 2 , A 1 , A 0 xác đònh thanh ghi nào trong ma trận được phép đặt từ dữ liệu 8 bits lên bus dữ liệu. Hai bit A 1 ,A 0 được đưa đến bộ giải mã 2 đường sang 4 đường để chọn 1 trong 4 hàng. Tương tự, hai bit A 3 , A 2 dùng để chọn 1 trong 4 cột. Do đó, sẽ chỉ có một thanh ghi duy nhất tại một hàng và một cột được xác đònh bởi đòa chỉ ngõ vào có quyền gởi dữ liệu lên bus. Output-buffers : Dữ liệu trong thanh ghi khi gửi ra sẽ được đưa vào bộ đệm dữ liệu, và chờ đến khi tín hiệu cho phép CS = 1 thì bộ đệm sẽ gởi dữ liệu ra các đường dữ liệu bên ngoài. Nếu CS ở mức 0 thì bộ đệm sẽ ở trạng thái tổng trở cao và các đường dữ liệu được thả nổi. b/ Thời hằng truy xuất ROM : Có một khoảng thời gian trễ từ lúc áp đòa chỉ đến các ngõ vào đòa chỉ của ROM đến lúc dữ liệu xuất hiện tại các ngõ ra, thời gian này còn gọi là thời gian truy xuất ( t ACC ). Một thông số quan trọng khác là thời gian cho phép ngõ ra xuất dữ liệu ( t OE ), là thời gian trễ từ khi CS\ tác động cho đến khi dữ liệu có ở các ngõ ra. Thời gian truy xuất đối với ROM loại Bipolar khoảng từ 30 đến 90 ns, đối với NMOS là 35 đến 500 ns. Thời gian cho phép xuất dữ liệutừ 10 đến 20 ns đối với ROM loạò Bipolar và từ 25 đến 100 ns đối với MOS. Giản đồ thời gian của hoạt động đọc ROM. c/ Một số loại bộ nhớ ROM: Mask-Programmed ROM: Là ROM được lập trình ngay trong lúc sản xuất. Đối với loại ROM này ta không thể lập trình lại được. PROM (Programmable ROM): Là ROM có thể được lập trình một lần duy nhất bởi người sử dụng. Cấu tạo: Các tế bào nhớ là diode, transistor lưỡng cực hoặc transistor MOS tùy vào công nghệ chế tạo. Phần tử bán dẫn được nối với cầu chì tích hợp. Khi cầu chì bò đứt thì không thể nối lại được, do vậy mà ta chỉ có thể lập trình cho ROM được một lần. Khi cần đổi bit 1 sang bit 0, người ta dùng một xung điện có biên độ và độ rộng xung thích hợp để làm đứt cầu chì. EPROM (Erasable Programmable ROM): EPROM có thể được lập trình bởi người sử dụng và có thể được xóa và lập trình lại như mong muốn. Khi đã được lập trình, dữ liệu trong EPROM không bò mất đi. Việc lập trình cho EPROM đòi hỏi một điện áp (từ 10 đến 25V) được áp đến ngõ vào thích hợp trên chip trong một khoảng thời gian (thường là 50 ms cho mỗi đòa chỉ). Người ta sử dụng một mạch nạp đặc biệt dùng để nạp trình cho EPROM. Công việc nạp trình có thể tốn hết một vài phút. Mỗi ô nhớ lưu trữ trong EPROM là một transistor loại MOSFET với cực cổng là chất silicon không có sự kết nối về điện (cực cổng thả nổi). Ở trạng thái bình thường, mỗi transistor bò tắt và mỗi ô nhớ lưu trữ bit 1. Transistor có thể được bật lên bằng việc áp một xung lập trình điện áp cao, khi đó có một dòng electron được phun vào vùng cực cổng thả nổi. Các electron vẫn tồn tại trong vùng này ngay cả khi đã chấm dứt xung vì không có đường xả điện tích. Điều này khiến cho transistor trữ bit 0 và không bò thay đổi ngay cả khi nguồn đã bò lấy ra khỏi mạch. Trong suốt quá trình nạp trình ta cần sử dụng bus dữ liệu và bus đòa chỉ để xác đònh ô nhớ cần lập trình. Sau khi đã lập trình khi cần xóa nội dung ô nhớ ta sử dụng một nguồn sáng cực tím chiếu vào cửa sổ của EPROM. Thời gian cần thiết cho việc xóa hoàn toàn một chip là khoảng từ 15 đến 30 phút. Nhưng có một điều khó khăn là không thể xóa từng ô nhớ riêng biệt được vì khi chiếu chùm sáng cực tím vào cửa sổ sẽ làm thay đổi tất cả các ô nhớ. Điều này có nghóa là ta phải lập trình lại từ đầu cho toàn bộ cả EPROM ngay cả khi chỉ có một ô nhớ cần thay đổi. Mode lập trình được sử dụng để nạp dữ liệu mới vào một ô nhớ. Giả sử rằng ta đang có một EPROM đã được xóa hoàn toàn bằng nguồn sáng cực tím. Mode CE \ Vpp/O E\ Outputs READ/VERIFY V IL V IL DATA O UT OUTPUTS DISABLE V IL V IH High Z STANDBY V IH X High Z PROGRAM V IL V PP DATA I N Các bước cần tiến hành khi lập trình cho một EPROM: 1/ Đòa chỉ ô nhớ cần lập trình được áp vào các ngõ đòa chỉ của EPROM. 2/ Tại cùng một thời điểm, OE\ /Vpp được cấp một xung (21V). 3/ Cũng vào thời điểm đó, dữ liệu cần ghi vào sẽ được áp đến các chân từ D 0 đến D 7 . Trong chế độ lập trình, chức năng của các chân dữ liệu là các ngõ vào bởi vì điện áp cao trên chân OE\ / Vpp đã cấm bộ đệm dữ liệu ngõ ra của chip nhớ. 4/ Khi các chân ngõ vào đòa chỉ và dữ liệu đã ổn đònh, ta cấp một xung Low vào CE\ trong thời gian khoảng 50 ms. Lúc này các ô nhớ tại đòa chỉ đã xác đònh được set lên 1 hoặc xóa về 0 tương ứng với dữ liệu đã áp vào lúc đầu tại bus dữ liệu. 5/ Khi quá trình lập trình kết thúc, ngõ vào CE\ quay trở lại mức cao. Giới thiệu EPROM 2764 : Sơ đồ chân Sơ đồ logic EEPROM (Electrically Erasable PROM) : Trong quá trình sử dụng EPROM nhận thấy có 2 điểm bất lợi chủ yếu: Thứ nhất : Khi cần lập trình lại, chúng phải được tháo ra khỏi socket để xóa rồi sau đó mới tiến hành lập trình được. Thứ hai : Sự tẩy xóa bộ nhớ không làm mất dữ liệu một cách hoàn toàn, điều này đòi hỏi phải lập trình lại hoàn toàn ngay cả khi chỉ có một từ nhớ cần được thay đổi. EEPROM được lập trình lại bằng điện là sự cải tiến của EPROM, được phát triển khoảng gần năm 1980. EEPROM được thừa hưởng cấu trúc cực cổng thả nổi của EPROM. Ngoài ra, EEPROM có thêm đặc điểm là khả năng xóa bằng điện nhờ trong cấu trúc của nó có thêm một vùng oxide mỏng nằm trên cực máng của ô nhớ MOSFET. Khi áp một điện áp cao (21V) giữa cực cổng và cực máng MOSFET, điện tích có thể được di chuyển đến trên cực cổng thả nổi, nơi mà nó vẫn tồn tại ngay cả khi mất nguồn. Sự đảo ngược cực tính của cùng một điện áp như vậy gây ra sự di chuyển các điện tích đã bò bẫy từ cực cổng thả nổi và làm cho ô nhớ bò xóa đi. Do cơ chế vận chuyển điện tích đòi hỏi dòng điện bé, nên việc lập trình và xóa EEPROM có thể được thực hiện ngay trong mạch (không cần một nguồn sáng cực tím và bộ lập trình EPROM). Tóm lại thuận lợi của EEPROM vượt trội hẳn EPROM là khả năng xóa và lập trình lại bằng điện từng từ nhớ độc lập trong mảng nhớ. Một thuận lợi khác là một EEPROM trọn vẹn có thể được xóa trong khoảng 10 ms (trong mạch) khác với 30 phút cho một EPROM được đặt trong nguồn sáng cực tím. EEPROM còn có thể được lập trình lại một cách nhanh chóng hơn vì nó chỉ cần 10 ms của xung lập trình cho mỗi từ dữ liệu khi so sánh với 50 ms đối với EPROM. Điện áp lập trình cho EEPROM được tạo ra bởi một thiết bò bên ngoài. Điện áp lập trình 21 volt thường được tạo ra từ nguồn cung cấp +5 V nhờ bộ chuyển đổi DC - DC và một mạch điện để điều khiển khoảng thời gian 10 ms cho từng từ nhớ và được thay đổi luân phiên cho hoạt động xóa và lập trình. Năm 1981, Intel giới thiệu EEPROM 2816 có dung lượng 2K X 8, thời gian truy xuất là 250 ns và mang những đặc điểm như đã miêu tả ở trên. Cũng từ đó, việc sử dụng EEPROM trong các thiết kế đã mang lại nhiều thuận lợi. Sau đó, In tel tiếp tục cho ra 2864 là EEPROM 8K X 8 chứa sẵn trên chip một mạch tạo ra điện áp cao dùng cho hoạt động xóa và lập trình, do vậy EEPROM chỉ cần chân cấp nguồn +Vcc. Điều này khiến cho EEPROM giống như một RAM tónh. Tất nhiên, nó vẫn lưu trữ được dữ liện ngay cả khi bò mất điện. Nhưng cũng cần chú ý rằng cấu trúc RAM thì đơn giản hơn và thời gian truy xuất cũng nhanh hơn nhiều. Tùy thuộc vào Mode đang được chọn và các chân dữ liệu là ngõ vào hay ngõ ra. Ba chân điều khiển là: OE\ , WE\ , CE\ xác đònh mode hoạt động nào được sử dụng. CE\: được sử dùng để cho phép hay cấm chip hoạt động. Khi bò ngăn cấm thì chip trong tình trạng chờ và tiêu thụ công suất thấp. OE\ : dùng để cho phép hoặc cấm bộ đệm dữ liệu ngõ ra. Trong suốt hoạt động ghi OE = 1 ngăn cấm bộ đệm dữ liệu ngõ ra giúp cho dữ liệu ngõ vào có thể được đặt vào các chân I/O. WE\ chọn lựa chế độ đọc hoặc ghi dữ liệu. Trong chế độ ghi, WE được cấp xung L dữ liệu sẽ được ghi vào bên trong bộ nhớ. Mạch điện bên trong tự động xóa các ô nhớ tại vùng đã đặt đòa chỉ trước khi ghi vào dữ liệu mới. . lưu trữ chương trình trong máy tính. Vì ROM không làm mất dữ liệu ngay cả khi bò mất điện cho nên chương trình đã nạp vào ROM được bảo toàn. Khi máy tính. liệu 8 bits được kết nối với bus dữ liệu bên trong. Mỗi thanh ghi có 2 ngõ vào cho phép (E), khi cả hai ngõ vào này cùng lên mức 1 thì sẽ cho phép dữ liệu