Spis treści:
Paměť EEPROM je jedním z nejoblíbenějších polovodičových paměťových čipů, se kterými se setkáváme v počítačích a mikroprocesorové technice.
EEPROM - základní definice
EEPROM je zkratka pro Electrically Erasable Programmable Read Only Memory a to znamená elektricky vymazatelnou programovatelnou paměť určenou pouze ke čtení. EEPROM je typem nevolatilní paměti ROM – to znamená, že po vypnutí napájení se data v této paměti neztratí, jako je tomu u statické paměti RAM. Paměť EEPROM umožňuje vymazání a přeprogramování jednotlivých datových bajtů. Proto se čipy EEPROM označují jako čipy s možností mazání bajtů. Paměť EEPROM se obvykle používá k ukládání malého množství dat v počítačích a jiných elektronických zařízeních, jako jsou vestavěné systémy založené na mikrokontrolérech AVR nebo ARM.
EEPROM – historické údaje
Paměť EEPROM byla vyvíjena koncem 70. let. a na počátku 80. let. výzkumníky společností Hughes Aircraft a Intel a byla použitá jako náhrada pamětí EPROM (erasable programmable read-only memory) a PROM (programmable read-only memory). Před aplikací paměti EEPROM technologie EPROM byla široce používána. Paměťové čipy EPROM bylo možné naprogramovat a následně vymazat pod ultrafialovým světlem. Čipy však nebylo možné elektricky vymazat. Proces mazání paměti EPROM trval více než hodinu, což bylo v tehdejším vývojovém prostředí přijatelné, ale pro potenciálně rychlejší prostředí v budoucnu to bylo málo flexibilní. V průběhu času se technologie EEPROM vyvíjela tak, aby tyto výzvy splňovala. Na základě stávající struktury paměti EPROM lze paměť EEPROM vymazat a elektricky naprogramovat. Většina čipů EEPROM má životnost 10 000 až 100 000 cyklů zápisu, což je mnohem více než u čipů EPROM. Zajímavé je, že je znám případ, kdy jeden uživatel experimentálně přepsal paměť EEPROM v mikrokontroléru AVR, která by podle výrobce měla správně fungovat až 100 000 cyklů zápisu. V tomto případě to paměť EEPROM “vzdala” po cca. 4 miliony přepsání obsahu.
Polovodičová technologie používaná v pamětech EEPROM
V pamětech EEPROM se používají tranzistory s pohyblivými hradly nebo tranzistory pro ukládání náboje, zatímco tranzistor MOS (metal-oxid-silicon) slouží k odstranění náboje. Tranzistory s plovoucím hradlem (FGT) jsou komplementární bitové buňky založené na technologii MOS. Pokud na plovoucím hradle není žádný náboj, impuls na řídicím hradle způsobí průtok proudu. V tomto okamžiku se tranzistor chová normálně. Když je hradlo nabité, dojde k zablokování nebo omezení řídicího hradla a proud přestane protékat. Pro vybití kapacity hradla musí být svorky source a drain zkratovány a do tunelu řídicího hradla musí být přes oxid přivedeno odpovídající napětí na plovoucí hradlo. Nabitý/nenabitý stav je určen elektrony zachycenými v hradle, které pak určují, zda bude obsahem hradla bit 0 nebo 1. Zpětné napětí směrované z jiného tranzistoru způsobí rozptýlení náboje v substrátu a následné vybití hradla.
Obr. 1 – jedna paměťová buňka EEPROM
Typy pamětí EEPROM
Obvykle rozlišujeme dva typy EEPROM, tj. sériovou a paralelní paměť.
Sériová paměť EEPROM
Sériové čipy EEPROM mohou být umístěny v malém osmipólovém pouzdře, takže jsou hustší než paralelní čipy EEPROM. Sériové čipy jsou také levnější. Nevýhodou je, že data jsou přenášena sériově, a tudíž pomalu. Kromě toho jsou jejich operace složitější.
Pro sériovou paměť EEPROM je k dispozici řada standardních typů rozhraní:
- SPI
- I2C
- Mikrodrát
- UNI/O
- 1-Wire
Každé z výše uvedených rozhraní vyžaduje čtyři samostatné řídicí signály.
Sériový protokol EEPROM se skládá ze tří fází:
- fáze kódu operace
- fáze adresování
- datová fáze
Paralelní paměť EEPROM
Paralelní čip EEPROM je kompatibilní s paměťovými zařízeními EPROM i flash. Její mechanismus přenosu dat je rychlejší a spolehlivější než u sériové paměti EEPROM. Má však větší počet pinů, což zvyšuje jeho velikost, hustotu a cenu. Z těchto důvodů není paralelní EEPROM tak rozšířená jako sériová EEPROM nebo paměť flash.
Způsoby selhání paměti EEPROM
Stejně jako u všech počítačových a elektronických zařízení nejsou čipy EEPROM bezpečné proti selhání. Existují dva hlavní režimy, ve kterých mohou zařízení EEPROM selhat:
– Režim uchovávání dat – Během operace přepisu se bitové buňky v paměti EEPROM zaseknou v naprogramovaném stavu. Je to proto, že FGT shromažďuje zachycené elektrony. Jak se zachycuje stále více elektronů, nelze detekovat práh “nulového stavu” a buňky zůstávají trvale v naprogramovaném stavu, což může způsobit selhání čipu. Z tohoto důvodu výrobci pamětí EEPROM udávají minimální a maximální počet přepisovacích cyklů.
– Režim podržení dat – architektura EEPROM je nastavena tak, aby elektrony vstříknuté do plovoucího hradla driftovaly izolátorem, který není ideálním izolátorem. Při tomto pohybu dochází ke ztrátě náboje, čímž se vymažou některá data a paměťová buňka se vrátí do vymazaného stavu. Z tohoto důvodu výrobci garantují omezenou dobu uchování po určitý počet let – např. 10 let. Faktory prostředí, jako je teplota, mohou také zkrátit dobu uložení dat v paměti EEPROM.
EEPROM - výhody a nevýhody
Jednou z největších výhod paměti EEPROM je, že ji lze mnohokrát přeprogramovat. Uložená data jsou nevolatilní a lze je mazat po jednotlivých bytech. A protože vymazávání probíhá elektricky, je téměř okamžité. Na rozdíl od pamětí EPROM není nutné čipy EEPROM pro úpravu vyjmout z počítače. Navzdory těmto výhodám má paměť EEPROM také některé nevýhody. Je dražší než paměti PROM a EPROM a má omezenou dobu uložení dat. Kromě toho může být nevýhodou systémů využívajících sériové čipy EEPROM cena. Kromě toho jsou cykly čtení/zápisu v paměti EEPROM pomalejší než cykly v paměti RAM. Aby se tomu dalo vyhovět, je důležité používat data uložená v paměti EEPROM tak, aby nedocházelo ke zpomalování systému. Pro mazání, čtení a zápis dat z paměti EEPROM nebo do ní je zapotřebí různých napětí. Novější čipy EEPROM však obsahují zdroj vysokého napětí přímo v čipu, takže není nutné používat samostatný zdroj vysokého napětí. Vzhledem k tomu, že tyto čipy mohou pracovat z jediného zdroje, zjednodušuje to konstrukci a snižuje náklady. Navzdory těmto nevýhodám je paměť EEPROM široce používána, zejména v aplikacích, kde je počet cyklů čtení/zápisu omezen.
