Spis treści:
EEPROM to jeden z najbardziej popularnych układów pamięci półprzewodnikowych, jaki możemy spotkać w komputerach i szeroko rozumianej technice mikroprocesorowej.
EEPROM - definicja podstawowa
EEPROM to skrót od angielskiego Electrically Erasable Programmable Read Only Memory co oznacza pamięć tylko do odczytu kasowalną prądem elektrycznym. EEPROM to rodzaj nieulotnej pamięci ROM – oznacza to, że po wyłączeniu zasilania, dane z tej z pamięci nie zostają utracone, tak jak ma to miejsce w przypadku statycznej pamięci RAM. Pamięć EEPROM umożliwia kasowanie i przeprogramowywanie poszczególnych bajtów danych. Dlatego chipy EEPROM są znane jako układy wymazywalne bajtami. EEPROM jest zwykle używany do przechowywania niewielkich ilości danych w komputerach i innych urządzeniach elektronicznych, np. w systemach wbudowanych opartych na mikrokontrolerach AVR czy ARM.
Pamięć EEPROM – rys historyczny
Pamięć EEPROM była opracowywana pod koniec lat 70. i na początku lat 80. przez naukowców z Hughes Aircraft i Intel i była używana jako zamiennik pamięci EPROM (kasowalna programowalna pamięć tylko do odczytu) i PROM (programowalna pamięć tylko do odczytu). Przed zastosowaniem pamięci EEPROM szeroko stosowano technologię EPROM. Układy pamięci EPROM można było zaprogramować, a następnie wymazać pod wpływem światła ultrafioletowego. Jednak chipów nie można było wymazać elektrycznie. A proces kasowania pamięci EPROM trwał ponad godzinę, co było akceptowalne w ówczesnych środowiskach programistycznych, ale pozostawiało niewielką elastyczność dla potencjalnie szybszych środowisk przyszłości. Z czasem, technologia EEPROM ewoluowała, aby sprostać tym wyzwaniom. W oparciu o istniejącą strukturę EPROM, EEPROM można kasować i programować elektrycznie. Większość układów EEPROM ma żywotność od 10 000 do 100 000 cykli zapisu, czyli znacznie więcej niż cykle zapisu układów EPROM. Co ciekawe, znany jest przypadek, w którym jeden z użytkowników eksperymentalnie nadpisywał pamięć EEPROM w mikrokontrolerze AVR, która według producenta powinna prawidłowo działać do 100 000 cykli zapisu. W tym przypadku, pamięć EEPROM ,,poddała się” po ok. 4 milionach nadpisaniach zawartości.
Technologia półprzewodnikowa stosowana w pamięciach EEPROM
W pamięciach EEPROM, wykorzystywane są tranzystory z ruchomą bramką lub pamięcią przechowującą ładunek, podczas gdy tranzystor o strukturze metal-tlenek-krzem (MOS) służy do usuwania ładunku. Tranzystory z pływającą bramką (FGT) to komplementarne komórki bitowe oparte na technologii MOS. Kiedy na bramce pływającej nie ma ładunku, impuls na bramce sterującej powoduje przepływ prądu. W tym momencie tranzystor zachowuje się normalnie. Kiedy bramka jest naładowana, powoduje to blokowanie lub utrudnia działanie bramki sterującej, a prąd przestaje płynąć. Aby rozładować pojemność bramki, zaciski źródła i drenu muszą zostać zwarte, a odpowiednie napięcie musi być umieszczone w tunelu bramki sterującej przez tlenek do bramki pływającej. Stan naładowany/nienaładowany jest określany przez elektrony uwięzione w bramce, która następnie określa, czy zawartość bramki będzie miała bit 0, czy 1. Napięcie wsteczne kierowane z innego tranzystora powoduje rozproszenie ładunku w podłożu, w konsekwencji powodując rozładowanie bramki.
Rys. 1 – pojedyncza komórka pamięci EEPROM
Rodzaje pamięci EEPROM
Typowo rozróżniamy dwa rodzaje pamięci EEPROM, tj. pamięć szeregową i równoległą.
Szeregowa pamięć EEPROM
Szeregowe chipy EEPROM mogą być umieszczone w małej ośmiopinowej obudowie, dzięki czemu są gęstsze niż równoległe chipy EEPROM. Chipy szeregowe są również tańsze. Wadą jest to, że dane są przesyłane szeregowo, a zatem wolno. Ponadto ich działania są bardziej złożone.
Dostępnych jest wiele standardowych typów interfejsów dla szeregowej pamięci EEPROM:
- SPI
- I2C
- Microwire
- UNI/O
- 1-Wire
Każdy z powyższych interfejsów wymaga czterech osobnych sygnałów sterujących.
Protokół szeregowy EEPROM składa się z trzech faz:
- faza kodu operacji
- faza adresowania
- faza danych
Równoległa pamięć EEPROM
Równoległy układ EEPROM jest kompatybilny zarówno z urządzeniami pamięci EPROM, jak i flash. Jego mechanizm przesyłania danych jest szybszy i bardziej niezawodny niż mechanizm w szeregowej pamięci EEPROM. Ma jednak większą liczbę pinów, co zwiększa jego rozmiar, gęstość i koszt. Z tych powodów równoległa pamięć EEPROM nie jest tak szeroko stosowana jak szeregowa pamięć EEPROM lub pamięć flash.
Tryby awaryjne dla pamięci EEPROM
Podobnie jak w przypadku wszystkich urządzeń komputerowych i elektronicznych, chipy EEPROM nie są odporne na awarie. Istnieją dwa kluczowe tryby, w których urządzenia EEPROM mogą ulec awarii:
– Tryb przetrzymania danych – Podczas operacji przepisywania komórki bitowe w pamięci EEPROM utkną w zaprogramowanym stanie. Dzieje się tak, ponieważ FGT gromadzi uwięzione elektrony. Ponieważ coraz więcej elektronów zostaje uwięzionych, próg „stanu zerowego” nie może zostać wykryty, a komórki pozostają na stałe w zaprogramowanym stanie, co może spowodować awarię chipa. Dlatego producenci pamięci EEPROM określają minimalną i maksymalną liczbę cykli przepisywania.
– Tryb podtrzymania danych – Architektura EEPROM jest ustawiona tak, aby umożliwić elektronom wstrzykniętym do pływającej bramki dryfowanie przez izolator, który nie jest idealnym izolatorem. To pływanie powoduje utratę ładunku, co powoduje wymazanie niektórych danych i powrót komórki pamięci do stanu wymazanego. Z tego powodu producenci gwarantują ograniczony czas przechowywania danych przez określoną liczbę lat – np. 10 lat. Czynniki środowiskowe, takie jak temperatura, mogą również skrócić czas przechowywania danych w pamięci EEPROM.
Pamięci EEPROM - zalety i wady
Jedną z największych zalet pamięci EEPROM jest to, że można ją wielokrotnie przeprogramowywać. Przechowywane dane są nieulotne i można je usuwać bajt po bajcie. A ponieważ wymazywanie odbywa się elektrycznie, jest niemal natychmiastowe. W przeciwieństwie do EPROM, chipy EEPROM nie muszą być wyjmowane z komputera w celu ich modyfikacji. Pomimo tych zalet, pamięć EEPROM ma również pewne wady. Jest droższa niż PROM i EPROM i ma ograniczony czas przechowywania danych. Ponadto koszt może być wadą dla systemów wykorzystujących szeregowe chipy EEPROM. Ponadto cykle odczytu/zapisu w pamięci EEPROM są wolniejsze niż cykle w pamięci RAM. Aby to uwzględnić, ważne jest, aby używać danych przechowywanych w pamięci EEPROM w sposób, który nie spowalnia działania systemu. Wreszcie, do kasowania, odczytu i zapisu danych z lub na EEPROM wymagane są różne napięcia. Jednak nowsze chipy EEPROM zawierają źródło wysokiego napięcia w samym chipie, eliminując potrzebę stosowania oddzielnego źródła wysokiego napięcia. Ponieważ chipy te mogą działać z jednego źródła, upraszcza to projekt i zmniejsza koszty. Pomimo wad, pamięć EEPROM jest szeroko stosowana, szczególnie w aplikacjach, w których liczba cykli odczytu/zapisu jest ograniczona.
